課程設計-簡易電阻、電容、電感測試儀器

1、<p>　　中國海洋大學工程學院</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 </p><p>　　姓 名：李 超 </p><

2、;p>　　學 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，電容參數轉化為頻率，而電感則是根據電容三點式轉化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉換為數字量，而頻率f是單片機很容易處理的數字量，一方面測量精度高，另一方面便于使姨表實現自動化，而且單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活。容易構成何種規(guī)模的應用系統(tǒng)，且應用系統(tǒng)較高的軟、硬件利用系數。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，而且設計時間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機結合實現電阻、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/計數器和LED顯示功能等。LED燈：本設計中，

6、設置了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個數碼管，采用共陽極方式連接構成動態(tài)顯示部分、降低功能。鍵盤：本設計有Sr，Sc，Sl三個按鍵，可以方便控制不同測量參數的切換，實現一鍵測量。</p><p>　　通道選擇：本設計通過單片機控制模擬開關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被測電感參數頻率化。通過51單片機的IO接口自動識別量程，實現自動測量。</p><p><b>　　2．系統(tǒng)硬件設計</b></p><p><b>　　單片機設計電路：</b></p><p>　　本電路使用單片機的內部振蕩器，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>　　測量電阻的電路設計：</p><p>　　根據題目要求，采用555多諧振電路，將電阻量轉化為相應的頻率信號值?？紤]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>　　量程自動轉換原理：單片機在第一個頻率的記錄中發(fā)現頻率過小，即通過繼電器轉換量程。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，應在顯示穩(wěn)定后再讀取參數值。</p><p>　　電容的測量采用“脈沖計數法”，由555電路構成的多諧振蕩路，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>　　測量電感的電路設計：</p><p>　　以據電感的特點，三

15、點式振蕩電路把電感值轉換為相對應的頻率值。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。 </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。</p><p><b>　　電路圖如下所示：</b></p><p>　　多路選擇開關電路的設計：</p><p>　　利用CD4052實現測量類別的轉換，CD4052是差分4通道數字控制模擬開關器件，有A0和A1兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止電

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

19、gt;<b>　　I/O接口的分配</b></p><p>　　在本設計的模塊中，模塊是單片機的核心，根據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、的設計中，便于直觀性，在數碼管上顯示被測參數的選擇，被測參數各個等的選擇以及具體設置。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。嵌入式技術是一門在當今社會應用價值很高