課程設(shè)計-簡易電阻、電容、電感測試儀器

1、<p>　　中國海洋大學(xué)工程學(xué)院</p><p>　　機械電子工程研究生課程考核（研究報告、論文等）</p><p>　　題目：簡易電阻、電容和電感測試儀</p><p>　　課程名稱：嵌 入 式 技 術(shù) </p><p>　　姓 名：李 超 </p><

2、;p>　　學(xué) 號：3 1 2 1 1 0 2 2 </p><p>　　院 系：國家海洋局第一海洋研究所</p><p>　　專 業(yè)：海洋地球物理 </p><p>　　時 間：2011-01-06 </p><p>　　簡易電阻、電容

3、和電感測試儀</p><p>　　摘要：本系統(tǒng)利用555多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，而電感則是根據(jù)電容三點式轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使姨表實現(xiàn)自動化，而且單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成何種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可

4、完全在軟件上實現(xiàn)，而且設(shè)計時間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機結(jié)合實現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本次設(shè)計選定以單片機為核心來進行。</p><p><b>　　1．系統(tǒng)的原理框圖</b></p><p>　　本設(shè)計中，考慮到單片機的物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用ARM-7系列的單片機為核心來實現(xiàn)電阻

5、、電容、電感的測量。系統(tǒng)可以分為四大部分：測量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。</p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計框圖</b></p><p>　　對于系統(tǒng)各部分說明如下：</p><p>　　控制部分：本設(shè)計以單片機為核心，采用MCS-51單片機，利用其管腳特殊功能以及具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈：本設(shè)計中，

6、設(shè)置了1盞電源指示燈，采用紅色的LED以共陽極方式來連接，直觀易懂，操作也簡單。6個數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動態(tài)顯示部分、降低功能。鍵盤：本設(shè)計有Sr，Sc，Sl三個按鍵，可以方便控制不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量。</p><p>　　通道選擇：本設(shè)計通過單片機控制模擬開關(guān)控制被測頻率的自動選擇。</p><p>　　測量電路：RC振蕩電路時利用555振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電

7、容頻率化。利用電容三點式振蕩電路實現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化。通過51單片機的IO接口自動識別量程，實現(xiàn)自動測量。</p><p><b>　　2．系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p><b>　　單片機設(shè)計電路：</b></p><p>　　本電路使用單片機的內(nèi)部振蕩器，11.0592MHz的晶體諧振器直接接在單片機的時鐘端口

8、X1和X2，電路中C2、C3為振蕩器的匹配電容。</p><p>　　在電阻、電容、電感測試系統(tǒng)中，用LED等來顯示測量參數(shù)的類別和電源指示，既簡單又顯而易見。</p><p>　　下面是一個LED顯示接口電路圖：</p><p>　　電路由6個共陰極數(shù)碼管、兩個74HC573和一個ULN2803組成。其中兩個74HC573分別為段和位的鎖存器。</p>

9、<p>　　按鍵電路圖：如下圖所示</p><p>　　控制R、L、C的三個按鍵介入一個10K大小的上拉電阻，起到限流保護的作用，當(dāng)有鍵按下時為低電平，無按鍵按下時為高電平</p><p>　　測量電阻的電路設(shè)計：</p><p>　　根據(jù)題目要求，采用555多諧振電路，將電阻量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻率信號值。考慮到單片機對頻率的敏感度，具體的講就是單片機對1

10、0Hz~10KHz的頻率計數(shù)精度最高。所以要選用合理的電阻和電容大小。同時又要考慮到不能使電阻的功率過大，所以在選第一個量程時取R4=200歐，C8=0.22微法（此時Rx=100歐為測量下限）；在第二個量程取R4=20千歐，C8=1000皮法（此時Rx=1兆歐為 測量上限）。 </p><p>　　因為RC振蕩的穩(wěn)定性可達0.001，單片機測頻率最多誤差一個脈沖，因此由單片機測頻率引起的誤差在0.01以下。 &

11、lt;/p><p>　　量程自動轉(zhuǎn)換原理：單片機在第一個頻率的記錄中發(fā)現(xiàn)頻率過小，即通過繼電器轉(zhuǎn)換量程。再測頻率，求Rx值。 </p><p>　　誤差分析：因為 R4+2Rx=1/((ln2)C8f) </p><p>　　所以2△Rx=-△f/((ln2) C8f*f) </p><p>　　經(jīng)分析知：由于電路中采用了穩(wěn)定性良好的獨石電容，從

12、理論上講只要使|△C8/C8|小于1%，所測電阻的精度也能小于1%。又由于單片機程序中采用了多位數(shù)的浮點運算，其計算精度可遠小于1%。</p><p><b>　　電路分為了兩個檔：</b></p><p>　　測量電容的電路設(shè)計：</p><p>　　測量電容采用的RC振蕩電路與測電阻的振蕩電路完全一樣。同樣也選用兩個量程。第一個量程R1=R

13、2=510千歐；第二個量程R1=R2=10千歐。這樣可使電容擋的測量范圍很寬。 </p><p>　　誤差分析：同Rx的測量，有：|△Cx/ Cx |= |△f /f |+|△C/C| </p><p>　　已知|△f /f |能滿足1%以下的精度，而精密的金屬膜電阻，其阻值的變化率 |△R1/R1|亦滿足1%左右的精度。這樣電容的測量精度也可以做的比較高。注意：由于建立RC穩(wěn)定振蕩的

14、時間較長，在測量電容和電阻時，應(yīng)在顯示穩(wěn)定后再讀取參數(shù)值。</p><p>　　電容的測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩路，通過計算振蕩電路的輸出頻率計算被測電容的大小。</p><p><b>　　電路圖如下所示：</b></p><p>　　測量電感的電路設(shè)計：</p><p>　　以據(jù)電感的特點，三

15、點式振蕩電路把電感值轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的頻率值。在此處這個三點式振蕩電路中，C1,C2分別采用1000皮法和2200皮法的獨石電容，因其電容值遠遠大于晶體管極間電容值，所以可把極間電容值忽略。這樣根據(jù)振蕩頻率公式可以確定電感值。 </p><p>　　這里要注意：由于單片機采用6MHz晶振，最快只能計幾百千赫茲的頻率，所以在測電感這一檔時，只能用MSI分頻后送單片機計數(shù)。 </p><p>　　

16、誤差分析：因為 L=1/4*3.14*3.14*f*f*c </p><p>　　所以|△L/ L |= |2△f/f|+|△C/C| </p><p>　　由此可見，因為|2△f/f|相當(dāng)小，|△L/ L |的精度主要取決于電容值的穩(wěn)定性，從理論上講，只要|△C/C|小于1%，|△L/ L |也就能達到相應(yīng)的水平。一般而言，電容的穩(wěn)定性，特別是像獨石電容一類性能比較好的電容，|△C/C|

17、都可以滿足小于5%的要求，這樣誤差精度就能保持在-1%—+1%以內(nèi)。</p><p><b>　　電路圖如下所示：</b></p><p>　　多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計：</p><p>　　利用CD4052實現(xiàn)測量類別的轉(zhuǎn)換，CD4052是差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)器件，有A0和A1兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止電

18、流。硬件電路開關(guān)如下圖：</p><p>　　數(shù)據(jù)處理并用數(shù)碼管顯示模塊： </p><p>　　將三個模塊產(chǎn)生的信號分別通過三個不同的I/O口與MCS-51單片機相連，同時將數(shù)碼關(guān)于單片機相應(yīng)的管腳相連接。通過一定的軟件過程將相應(yīng)地被測量參數(shù)顯示出來。</p><p><b>　　3．測試儀軟件設(shè)計</b></p><p&

19、gt;<b>　　I/O接口的分配</b></p><p>　　在本設(shè)計的模塊中，模塊是單片機的核心，根據(jù)每一個不同的功能對R測量程序的選擇C測量程序的選擇L測量程序的選擇以及多路選擇開關(guān)控制選擇、輸入及測量指示燈來分配接口。</p><p><b>　　主程序流程圖：</b></p><p>　　在電阻、電容、電感測試儀

20、的設(shè)計中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測參數(shù)的選擇，被測參數(shù)各個等的選擇以及具體設(shè)置。通過三個按鍵Sr，Sc，Sl來進行靈活的控制，流程圖如下所示：</p><p><b>　　5．結(jié)束語</b></p><p>　　本系統(tǒng)基于單片機MCS-51單片機，利用555多諧振蕩電路和電容三點式電路可以有效的完成劉老師對量程和誤差的要求。嵌入式技術(shù)是一門在當(dāng)今社會應(yīng)用價值很高