課程設(shè)計(jì)-簡(jiǎn)易電阻、電容、電感測(cè)試儀器

1、<p>　　中國海洋大學(xué)工程學(xué)院</p><p>　　機(jī)械電子工程研究生課程考核（研究報(bào)告、論文等）</p><p>　　題目：簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)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(hào)：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(shí) 間：2011-01-06 </p><p>　　簡(jiǎn)易電阻、電容

3、和電感測(cè)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(diǎn)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(jī)很容易處理的數(shù)字量，一方面測(cè)量精度高，另一方面便于使姨表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴(kuò)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(jī)具有可編程性，硬件的功能描述可

4、完全在軟件上實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測(cè)試儀更為簡(jiǎn)便可行，節(jié)約成本。所以，本次設(shè)計(jì)選定以單片機(jī)為核心來進(jìn)行。</p><p><b>　　1．系統(tǒng)的原理框圖</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中，考慮到單片機(jī)的物美價(jià)廉、功能強(qiáng)、使用方便靈活、可靠性高等特點(diǎn)，擬采用ARM-7系列的單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)電阻

5、、電容、電感的測(cè)量。系統(tǒng)可以分為四大部分：測(cè)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(jì)框圖</b></p><p>　　對(duì)于系統(tǒng)各部分說明如下：</p><p>　　控制部分：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，采用MCS-51單片機(jī)，利用其管腳特殊功能以及具備的中斷系統(tǒng)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈：本設(shè)計(jì)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(jiǎn)單。6個(gè)數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動(dòng)態(tài)顯示部分、降低功能。鍵盤：本設(shè)計(jì)有Sr，Sc，Sl三個(gè)按鍵，可以方便控制不同測(cè)量參數(shù)的切換，實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)量。</p><p>　　通道選擇：本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)控制被測(cè)頻率的自動(dòng)選擇。</p><p>　　測(cè)量電路：RC振蕩電路時(shí)利用555振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電阻和被測(cè)電

7、容頻率化。利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電感參數(shù)頻率化。通過51單片機(jī)的IO接口自動(dòng)識(shí)別量程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。</p><p><b>　　2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　單片機(jī)設(shè)計(jì)電路：</b></p><p>　　本電路使用單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器，11.0592MHz的晶體諧振器直接接在單片機(jī)的時(shí)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(cè)試系統(tǒng)中，用LED等來顯示測(cè)量參數(shù)的類別和電源指示，既簡(jiǎn)單又顯而易見。</p><p>　　下面是一個(gè)LED顯示接口電路圖：</p><p>　　電路由6個(gè)共陰極數(shù)碼管、兩個(gè)74HC573和一個(gè)ULN2803組成。其中兩個(gè)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(gè)按鍵介入一個(gè)10K大小的上拉電阻，起到限流保護(hù)的作用，當(dāng)有鍵按下時(shí)為低電平，無按鍵按下時(shí)為高電平</p><p>　　測(cè)量電阻的電路設(shè)計(jì)：</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(hào)值?？紤]到單片機(jī)對(duì)頻率的敏感度，具體的講就是單片機(jī)對(duì)1

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

11、lt;/p><p>　　量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)在第一個(gè)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(cè)頻率，求Rx值。 </p><p>　　誤差分析：因?yàn)?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(dú)石電容，從

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

13、2=510千歐；第二個(gè)量程R1=R2=10千歐。這樣可使電容擋的測(cè)量范圍很寬。 </p><p>　　誤差分析：同Rx的測(cè)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(cè)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(shí)間較長(zhǎng)，在測(cè)量電容和電阻時(shí)，應(yīng)在顯示穩(wěn)定后再讀取參數(shù)值。</p><p>　　電容的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩路，通過計(jì)算振蕩電路的輸出頻率計(jì)算被測(cè)電容的大小。</p><p><b>　　電路圖如下所示：</b></p><p>　　測(cè)量電感的電路設(shè)計(jì)：</p><p>　　以據(jù)電感的特點(diǎn)，三

15、點(diǎn)式振蕩電路把電感值轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的頻率值。在此處這個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路中，C1,C2分別采用1000皮法和2200皮法的獨(dú)石電容，因其電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)采用6MHz晶振，最快只能計(jì)幾百千赫茲的頻率，所以在測(cè)電感這一檔時(shí)，只能用MSI分頻后送單片機(jī)計(jì)數(shù)。 </p><p>　　

16、誤差分析：因?yàn)?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?yàn)閨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(dá)到相應(yīng)的水平。一般而言，電容的穩(wěn)定性，特別是像獨(dú)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(jì)：</p><p>　　利用CD4052實(shí)現(xiàn)測(cè)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(gè)二進(jìn)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(gè)模塊產(chǎn)生的信號(hào)分別通過三個(gè)不同的I/O口與MCS-51單片機(jī)相連，同時(shí)將數(shù)碼關(guān)于單片機(jī)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(cè)量參數(shù)顯示出來。</p><p><b>　　3．測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)</b></p><p&

19、gt;<b>　　I/O接口的分配</b></p><p>　　在本設(shè)計(jì)的模塊中，模塊是單片機(jī)的核心，根據(jù)每一個(gè)不同的功能對(duì)R測(cè)量程序的選擇C測(cè)量程序的選擇L測(cè)量程序的選擇以及多路選擇開關(guān)控制選擇、輸入及測(cè)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(cè)試儀

20、的設(shè)計(jì)中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測(cè)參數(shù)的選擇，被測(cè)參數(shù)各個(gè)等的選擇以及具體設(shè)置。通過三個(gè)按鍵Sr，Sc，Sl來進(jìn)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(jī)MCS-51單片機(jī)，利用555多諧振蕩電路和電容三點(diǎn)式電路可以有效的完成劉老師對(duì)量程和誤差的要求。嵌入式技術(shù)是一門在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用價(jià)值很高