基于单片机的rlc测量仪

基于单片机的rlc测量仪内容摘要：

8 位 I/O口。 共有 21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。 实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的 RAM 区。 由上可见， AT89S52 单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。 特别值得一提的是该单片机 CPU中的位处理器，它实际上是一个 完整的 1 位微计算机，这个一位微计算机有自己的 CPU、位寄存器、 I/O口和指令集。 1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而 8 位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。 MCS51单片机中 8位机和 1 位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是 MCS51单片机在设计的精美之处。 在本设计里，单片机的最主要的一个作用就是完成频率的计数。 通过外围电路与单片机 口相连接，通过单片机 ，将定时器的时间设定在 1秒，1秒。 由 于频率 f是单片机很容易处理的数字量，单片机在计数时误差值非常小，所以，对提高测量的精度很有帮助。 简易 R、 L、 C 测量仪 11 继电器的工作原理 在本设计中，实现量程的自动转换成为设计的重点和难点，本设计通过软件对其量程进行控制，通过对其电路产生的频率，如果频率不在所选的范围内，通过单片机端口输出高低电平，来控制继电器工作，从而实现硬件的量程转换。 所以，继电器的使用好 坏直接影响了设计的质量好坏。 继电器的定义 为了实现弱电对强电的控制，或者实现被控负载的隔离，电子系统通常通过控制继电器来实现对负载的控制。 继电 器是 当输入量 (或激励量 )满足某些规定的 条件时，能在一个或多个输入电路中产生跃变的一种器件。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 “ 自动开关 ”。 故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。 只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服 返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。 这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。 对于继电器的 “ 常开、常闭 ” 触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为 “ 常开触点 ” ；处于接通状态的静触点称为 “ 常闭触点 ”。 本设计中，使用的是固体继电器。 利用电子元件实现继电器的功能而无机械运动构件，同时其输入和输出电路相互隔离的一种继电器。 固体继电器 的输入电路（单片机的端口）是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固体继电器的触发信号源。 固体继电器的驱动电路给输出器件提供触发信号。 在触发信号信号控制下，其输出电路实现固体继电器的通断切换。 继电器的工作环境 固体继电器是一种无触点电子开关，主要由输入（控制）电路，驱动电路和输入电路三部分组成。 其原理图如图 9 所示： 简易 R、 L、 C 测量仪 12 图 9 原理图 LCD 的引脚功能 本设计采用 1602 作为显示模块， 1602 采用标准的 16脚接口，其中；第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚： VDD接＋ 5V 电源。 第 3 脚： V0 为液晶 显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K的电位器调整对比度。 第 4 脚： RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。 第 5 脚： RW为读写信号线，高电平进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS和 RW共同为低电平时，可以写入指令或者显示地址，当 RS为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E 端为使能端，当 E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 7～ 14 脚： D0～ D7 为 8 位双向数据线。 第 15～ 16 脚：空脚。 测 Rx 的 RC 振荡电路 在电路中采用 RC 振荡电路来测量电阻 R、电容 C 的值，用 555 时基电路构成RC 振荡器。 如图 10 所示，将 555 与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐简易 R、 L、 C 测量仪 13 振荡模式。 图 10 电路图 图 11 波形图 当加上 CCV 电压时，由于 C 上端电压不能突变，故 555 处于置位状态，输出端呈高电平“ 1”，而内部的放电 COMS 管截止， C 通过 AR 和 BR 对其充电，触发电平电位随 C 上端电压的升高呈指数上升，波形如图 11所示： 当 C 上的电压随时间增加，达到 2/3Vcc 阈值电平时，上比较器 A 翻转，使 RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出 OV 呈低电平“ 0”。 此时，放电管饱和 导通， C 上的电荷经 BR 至放电管放电。 当 C 放电使其电压降至 1/3Vcc 触发电平时，下比较器 B翻转，使 RS触发器复位，经缓冲级倒相，输出 OV 呈高电平“ 1”。 以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。 由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间 1t 就是 C 上的电压从 1/3Vcc 充电到 2/3Vcc 所需的时间，故 C 两端电压的变化规律为 简易 R、 L、 C 测量仪 14 / ( ) / ( )1( ) ( 1 ) 3A B A Bt R R C t R R CC C C C CU t V e V e      设 1 ()ABR R C  ，则上式简化为 1/2( ) (1 )3 tC C CU t V e  从上式中求得 1 1 11ln 0 .6 9 3 22t    一般简写为 1 32( )ABt R R C 电路间歇期 2t 就是 C 两端电压从 2/3Vcc 充电到 1/3Vcc 所需的时间，即 /2() 3 Bt R CC CCU t V e 从上式中求得 2t ，并设 2 BRC  ，则 2 2 21ln 0 .6 9 32t    一般简写为 2 Bt R C 那么电路的振荡周期 T 为 1 2 1 93 ( ) 93 ( 2 )ABT t t R R C      振荡频率 1/fT ， 3 /( 2 ) ( )ABf R R C Hz 输出振荡波形的占空比为 1 / ( ) /( 2 )A B A BD t T R R R R    从上面的公式推导，可以得出（ 1）振荡周期与电源电压无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅 C 、 AR 、 BR 的值有关。 （ 2）振荡波的占空比与 C 的大小无关，而仅与 AR 、 BR 的大小比值有关。 简易 R、 L、 C 测量仪 15 第三章 设计电路 测量电阻的电路模块 图 12 是一个由 555 时基电路构成的多谐振荡电路，由该电路可以测出量程在100Ω～ 1MΩ的电阻。 该电路的振荡周期为 12 ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 )x x xT t t I n R R C I n R C I n R R C       其中 1t 为输出高电平的时间， 2t 为输出低电平的时间。 则： 12 ( 2 )xRR In Cf 为了使振荡频率保持在 10 100kHz 这一段单片机计数的高精度范围内，需选择合适的 C 和 R 的值。 第一个量程选择 20 0 , 0. 22R C uF   ，第二个量程选择20 , 10 00R k C pF  。 这样，第一个量程中， 100XR 时 61( 2) ( 2 ) 2 10 ( 200 200 )XfIn C R Rk H Z   第二个量程中， 1XRM时 9 3 61( 2) ( 2 )1 10 ( 20 10 2 10 )714XfIn C R Rk H Z     因为 RC振荡的稳定度可达 103，单片机测频率最多误差一个脉冲，所以用单片机测频率引起的误差在百分之一以下。 在电路中之所以选用可调电位器是因为继电器的内阻并不清楚，在进行测量之前需要进行校准。 把标准电阻插在插接口上，调节电位器，使数码管显示标称阻值。 在以后的测量过程中，便可直接测量电阻。 利用单片机端口通过软件编程的方法来控制继电器的改变，实现量程的转换。 简易 R、 L、 C 测量仪 16 图 12 测量电阻的电路 测电容的 RC 振荡电路 测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路基本上一样。 其电路图如图 13 所示： 若 R1=R2，则 13(ln 2)Xf RC 三个量程的取值分别为 第一量程： R1=R2=510K 第二量程： R1=R2=300K 第三量程： R1=R2 =10K 其分析过程如测量电阻的方法一样，这里就不在赘述了。 简易 R、 L、 C 测量仪 17 图 13 测量电容的电路 测电感的电容三点式振荡电路 在本设计中， 电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的 ，如图 14所示。 三点式电路是指： LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。 在这个电容三点式振荡电路中， C4 C5 分别采用1000pF、 2200pF 的独石电容，其电容值远 大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。 振荡公式： 12f LC ，其中 45CCC  则电感的感抗为 2214L fC 在测量电感的时候，发现电感起振频率非常的高，大致到达 3MHz 左右，而单片机的最大计数频率大约为 500KHz，在频率方面达不到测量电感频率，于是我们把测电感的电容三点式电路得出的频率经过由两片 74LS161 组成八位计数器作为分频电路对该频率进行分频，有 3000000/64=46875，满足单片机计数要求。 简易 R、 L、 C 测量仪 18 图 14 测量电感的电路 在分频器方面，采取两块 74LS161 芯片并行进位方式，具体连接方式如图 16所示，在第一片 74161 中，采取 16倍分频，每产生一个进位，第二片 74161 计数一次，当 QaQbQcQd=1101 也即当第二块芯片计数到 4 次，产生一次进位 ,使得第二块芯片从 1100重新开始计数，即 16 4＝ 64倍分频， RCO 就是分频后所需要的频率，第二块芯片工作状态图如图 15所示： 图 15 第 2 块 74LS161 芯片工作状态图 简易 R、 L、 C 测量仪 19 图 16 74LS161 分频原理 简易 R、 L、 C 测量仪 20 第四章 软件设计 在本设计中，采取的是以 AT89S52 单片机为控制核心，在程序中，涉及到按键的选择，频率的计数，量程的切换，将频率转换成所要求的参数，以及将所计算出的参数，送到 LCD显示等等。 所以，软件的编写变得尤其主要。 开始工作的时候，初始化系统， LCD 显示 ” WELCOME”。 本系统软件设计的主流程图如图 17所示。 对系统初始化之后，判断是否有按键按下。 以测电阻为例，测量的电阻经 RC振荡电路转换为频率 f，根据测电阻的换算公式，利用单片机 软件编程，测量出其阻值并送显示。 如果量程不够大，系统将量程自动转换为大量程，进行测量。 图 17 软件设计的主流程图 以电容测量为例，其量程转换的过程方框图如图 18 所示： 简易 R、 L、 C 测量仪 21 图 18 电容测量流程图 电阻的测量与电容不相同，由于在实际设计频率程序编写的很成功，在电阻测量电路中，单片机计数测量精度很高，基本不需要量程转换，就可以达到预期的效果。 在电感测量中，由于设计中采取了 64倍分频，所以，也不需要对其进行软件切换量程，直接测量，基本可以完成设计指标中电感 100 181。 H～ 10 mH 的要求。 在设计中，电路 中存在着许多客观原因，使得设计存在着一定的测量误差，在软件中，需要对各个量程进行或多或少的软件补偿。 通过对测量频率的调整来达到改善的目的，在设计测试中，只有经过大量的测试，才能找到合适的补偿值。 在计数中，为了减少计数误差，本设计采用了取其三秒钟的频率，然后取其平均值的方法，这样，测得的频率就误差就很小。