基于单片机的rc检测仪

基于单片机的rc检测仪内容摘要：

设 计计 10 作用。 555 定时器性能比较好，只要 少 接上几个电阻、电容 就能构成多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，经常用于仪器仪表、电子测量等方面。 此设计测量的原理就是，利用 555 定时器外加几个电阻、电容或电感，生成多谐振荡器。 （ C1为比较器 1， C2 为比较器 2）。 Vcc（ 8脚）：接 正 电源。 一般为 ~15V。 GND（ 1脚）：接地。 R（ 4 脚）： 复位端。 当此端接低电平时，电路不工作，这时不管 TH 是何电平，电路输出为 “0。 这个端在不用的时候，应该接高电平。 TH（ 6 脚）：高电平触发端。 当此引脚的电压 大于 2/3Vcc 的时候， 触发器复位，那么输出端处于 “0” 电平。 TR（ 2 脚）：低电平触发端。 当此引脚的电压 小于 1/3Vcc 的时候，触发器处于置位状态，那么输出端就处于 “1” 电平。 Cv（ 5 脚）：控制电压端。 此端与 2/3Vcc 分压点相连，如果在这个端加入外部电压，可以改变 上下触发电位。 所以此端如果不用，就串入一只 的电容，并接地，防止引入干扰。 DC（ 7 脚）：放电端。 此脚与放电管相连，用作定时电容的放电。 Q 或者 V0（ 3脚）：输出端。 电路连接负载端，通常此脚为低电平，但在定时的时候是高电平。 若测电阻，此脚与 X0相连；若测电容，此脚与 X1 相连。 测电阻电路 图 36测电阻电路 如 图 36所示， Rx是被测的电阻，接通电源后，电容 C1通过 R1 和 Rx充电，当电容C1 上的电压达到 2/3Vcc 时，比较器 1 开始动作， RS 触发器翻转，此时，输出端输出为硬硬 件件 设设 计计 11 低电平。 由于 此时的三极管处于饱和导通状态，电容 C1就通过 Rx 开始放电，当 C1上的电压为 1/3Vcc 的时候，比较器 2开始动作， RS触发器又被翻转，而这时，输出端输出为高电平，三极管此时截止，电容 C1 又开始再一次的充电。 就这样不断重复这个充放电的过程，输出端就是一个高低电平的矩形波，矩形波的周期就是充电时间加上放电时间。 充电时间为： t1=ln2*(R1+Rx)*C1 放电时间为： t2=ln2*Rx*C1 则矩形波的周期为： T=t1+t2=ln2*(R1+Rx)*C1+ln2*Rx*C1 =ln2*C1*（ R1+2Rx） 频率为： f=1/T=1/ln2*C1(R1+2Rx) 如果测出矩形波的频率 f， 则可推出 Rx=(1/ln2*f*C1R1)/2。 测量电容电路 图 37测量电容电路 如上 图中 Cx 为待测的电容。 通上电后，电容 Cx 通过 R2和 D1 开始充电，当电容 Cx上的电压达到 2/3Vcc 时，比较器 1开始动作， RS 触发器被翻转，此时，输出端输出为低电平。 RS 触发器被翻转以后，三极管处于饱和导通状态， 因为二极管是单向导通，所以这时电容 Cx 开始通过 R3 放电，当电容 Cx上的电压达到 1/3Vcc 时，比较器 2开始动作，RS 触发器又被翻转，输出端输出高电平，而三极管却处于截止的状态，电容 Cx又开始充电，就这样反反复复的充放电，那么输出端就会输出一个高低电平矩形波，矩形波的周期就是放电时间与充电时间的和。 充电的时间： t1=ln2*Cx*R2 放电的时间： t2=ln2*Cx*R3 则矩形波的周期： T=t1+t2=ln2*Cx*R2+ln2*Cx*R3 硬硬 件件 设设 计计 12 =ln2*Cx*(R2+R3) 频率为： f=1/T=1/ln2*Cx*(R2+R3) 如果已知频率，则待测电容为： Cx=1/ln2*f*(R2+R3)。 软软 件件 设设 计计 13 4 软件设计 这个设计的编程， 这里 使用的是 C 语言，其实用汇编语言会更容易些， 本人 对 C 语言比 较熟悉，所以 还是选择了比较熟悉的语言来编写程序。 图 41总流程图 图 41 为， 初始化运行程序，按下测量电阻的按钮，转换测量电阻程序，得出结果，刷新显示，测量电容转换为测量电容程序得出结果，刷新显示。 液液 晶晶 显显 示示 部部 分分 如图 42 所示， 图 42液晶流程图 开始 初始化 测量电阻 测量 电 容 刷新显示 转换电阻程序 转换电容程序 Y N N Y’ 开始运行程序 检测系统初始化 查看 LED 是否显示字符 写入待测电阻电容数据 返回初始显示，继续检测 Y 软软 件件 设设 计计 14 1602LCD 液晶显示屏开始运行程序，显示屏检测系统初始化，查开 LED 显示屏是否显示出字符，然后输入待测的电阻或电容数据，测量结果出现后，返回初始显示 LED 屏幕，继续检测。 定时 /计数部分 如图 43所示， 图 43定时 /计数流程图 如图 43 开始运行程序定时和计数，系统 T0、 T1 开始初始化运行 T0 定时器运行，T1 计数开始运行，系统运行后程序开始检测 T0是否溢出 ，让系统开始终端 T1 停止计数，T0、 T1开始 初始化 运行 T0定时 器运行 ， T1计数 开始运行 检测 T0是否溢出 系统 开中断 T1停止计数 取出 T1的计数值 并发送到计算机 计算机 计算得到测量的频率值 Y N 返回 初始程序 开始 运行定时和计数程序 软软 件件 设设 计计 15 然后系统取出 T1 的数值，发送到计算机中，计算机开始运行计算得到测量的频率值，计算完毕后，返回出事程序。 AT89C51 芯片内有两个 16 位的定时 /计数器： T0 和 T1。 定时 /计数器的核心是一个加1 计数器，基本的功能是计数加 1。 对 T0 或者是 T1引脚上输入一个从 1 到 0 的跳变，那么计数加 1，这就是计数功能。 对单片机内部的机器周期进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。 它们都是由软件来设定的。 对于这部分， T0 作为定时器， T1 用作计数器。 其中 T0 的定时时间是已知的，定时时间为 t=10ms。 知 道定时的时间了，那么 单片机对来自 T1 上的跳变脉冲进行计数，当定时时间到，也就是定时溢出，就申请中断，并停止 T1 的计数功能，从而得到 T1 的计数个数 N，那么频率 f=N/t。 调调 试试 与与 仿仿 真真 16 5 调试 与仿真 仿真最主要的一步就是计算频率， 频率测量的方法有很多，有谐振法、外差法、示波法、电子计数器法， 这个设计中用的是电子计数器法，因为单片机的 T0 和 T1 可以直接用于测频率，不需要接其它的电路，只要程序写好就行了，这也是单片机的一大优点。 电子计数器法的原理是，某一信号在一定时间 T 内重复变化了 N次，而它的频率 f 就是 N除以 T。 利用单片机 的定时 /计数测频，就是让单片机按照一定的程序，自己完成操作，当然，这其中会存在一定的误差。 用单片机 测频的时候，把 T0 用作定时器， T1 用作计数器，定时是已知的，定时是10ms， 所需要知道的就是这 10ms 内计数器计的个数。 单片机对送入的脉冲进行计数，这一定 会产生 误差 的， 因为主门的开启时刻与计数 脉冲之间的时间是没有关系的， 单片机有可能会多计一个脉冲，也有可能少计一个，这是不能确定的。 书上称这种误差为 量化误差。 测量电路 最终 输出的是高低电平矩形波，那么单片机在计数时，误差最大 时 不超过一个周期， 可以尽量缩小误差，如果 所测矩形波的频率越大，那么这种误差就会越小。 相对的，低频的时候，这种误差就会很大，那这种时候就不能用测频的方法了，但可以改为测周期，因为周期和频率互为倒数。 这就涉及到了 一个量，那就是中界频率。 中界频率的定义为，当对某一个信号使用测频法和测周法时，两者引起的误差相等，小于中界频率时，采用测周法，再把周期转换为频率 ；大于中界频率时，直接测频。 此设计中，不考虑小于中界频率的， 因为所测频率都比较大， 所以用的是直接测频 法。 单片机的定时器本质上是一个计数器，对时钟的十二分之一分频的每一跳加一来到达计时的目的，所以它的 精度主要就取决于晶振精度了。 在这个设计中， 这里 所用的晶振是 12MHz 的 ，虽然 指 令的执行 速度提高了，但是功耗和噪声却增加了，也加大了测量的误差。 测量时，因为定时 /计数方式选择的是方式 1，所以计数的范围为： 1~65536，定时范围为： 1~65ms。 如果所测波的频率太大， 计数的值就会超过 65536，就超出了测量范围，所以测量电阻的电路所能测的电阻范围为： 1~300 千欧姆，电容的范围为： 1~250nF。 这个测量电路所测量的频率是有范围的，必须小于 300KHz，当大于这个数时，液晶显示乱码。 这些都是 经过验证得到的， 而且每次测的时候，数据就有可能不一样， 这是因为稳定度不大， 但是 数据 相差不大。 （ 1） 电阻测试数据如表 51 所示。 计算频率 公式为： f=1/(*(R1+2*R)*C1) 其中 R1=10 千欧姆， C1=1nF。 调调 试试 与与 仿仿 真真 17 表 51电阻测试数据 电阻原值 （ R） 频率原值 （ f） 测得电阻值 (Rx) 测得频率值 (fx) 1k 5k 10k 20k 50k 100k 200k (2) 电容测试数据如 52所示。 计算频率公式为： f=1/(*(R2+R3)*C) 其中 R2=10 千欧姆， R3=10 千欧姆。 电容原值 频率原值 所测电容值 所测频率值 1nF 5nF 8nF 10nF 表 52电容测试数据 从上面这些表格可以看出，测量时的误差其实挺大的， 除了 上面提到的那几个造成误差的原因外，其实，误差产生的最主要的原因还是所用的测量电路。 测量电阻和电容时，电路是由 555 芯片和外接的电阻电容组成的。 555 是根据电源的精度和外围阻容元件的精度来决定输出频率精度的，如果 外围精度很高并且温度变化不大，那么 555 的精度是足够的，但是以目前的情况来看，电阻值和电容值都有 10%以上 的偏差，这就直接导致了测量电路的精确性不是很好，所以就造成了现在上面这种状况。 其实 555 定时器还有一个很大的缺点，那就是不能产生频率很低的信号，所以 的测量范围比较小，这和 555本身的内部结构有关。 还有一点就是，测量电路必须要保证起振，并且振荡电路要稳定，否则也会增加误差，这也是把元件参数转换成频率后测量的方法的一个不足之处。 因为现在是仿真图，所以没有误差修正，而且实际中的电阻或电容的值肯定跟仿真时不一样。 如果要是做硬件，那么可以进行误差的修正，根据实际电路中的电阻或电容，多测一些数据，并求这些数据的平均 误差，再把这个误差加到程序中，那么再测数据，误差就会小很多，这样就做了误差的修 正。 调调 试试 与与 仿仿 真真 18 0..00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003. 图 55系统的总设计图 此图为本系统的总设计图。 主体由 AT89C51 构成， LCD1602 显示器 将负责显示测量的电阻和电压值。 测量电阻和电压的部分由两个 555 芯片构成，需要测量的时候将拨片拨至相应的电路上，按下测量按钮，这时测量的电阻和电压值会在 LCD1602 上显示 出数值。 然后按下复位按钮，显示屏上的数据清除，等待下一次测量。 调调 试试 与与 仿仿 真真 19 电阻仿真图： 图 56电阻仿真图 此图为载入将要测量的电阻值后仿真得出的结果图。 把 51 单片机和测量电阻的 555模块相连，先按一下复位按钮，再按测量按钮，等待两秒以后，显示屏 就会显示出这次测量的电阻值。 调调 试试 与与 仿仿 真真 20 电容仿真图： 图 57电容仿真图 此图为载入将要测量的 电容 值后仿真得出的结果图。 把 51 单片机和测量电容的 555模块相连，先按一下复位按钮，再按测量按钮，等待两秒以后，显示屏就会显示出这次测量的电容值。 结结 论论 21 6 结 论 在设计制作本系统 的过程中，我深切体会到，实践是理论运用的最好检验。 本次设计是对我三年所学知识的一次综合性检测和考验，无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高，同时加深了我对网络资源认识，大大提高了查阅资料的效率，使我有充足的时间投入到电路设计当中。 本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电子工艺等多方面的知识，本系统达预期的要求， 能够对电气元件 R、 C 进行简易的测量，误差保持在 5%以内。 在调试方面，经过一系列模块化的调试，使系统到达了正常工作条件。 当然由于时间的紧迫，在测试阶段，对仪器的 调试还略。