本科毕业论文-基于单片机的电阻、电容、电感测试仪

本科毕业论文-基于单片机的电阻、电容、电感测试仪内容摘要：

OM)： 有两个 16 位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 5)并行输入输出 (I/O)口： 共有 4 组 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。 6)全双工串行口： 内置一个全双工串行通信口，用于与其它 设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 7)中断系统： 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时 /计数器中断和一个串 口中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 8)时钟电路 ： 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉 冲 时序。 本设计中单片机的设计电路如下图 31 所示： 图 31 单片机的设计电路 本 电路使用 单片机内部振荡器， 的晶 体谐振器 直接 接在单片机的时钟 端口 X1 和 X2，电路中 C C3 为振荡器的匹配电容。 该电路简单，工作可靠。 另外本系统的容阻上电复位，就是利用 RC 电路的充电过程来给单片机复位。 RC 电路的时间常数 计算公式 ： T=RC (31) 即 ： T=RC=10u*10k=100ms。 当需要复位时 ，也可以按下复位按键，进行复位。 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计 9 LED 数码管电路 与键盘电路的设计 在电阻、电容、电感测试系统中，用 LED 灯来显示测量参数的类别和电源指示，既简单又显而易见。 与小白炽灯泡和氖灯相比， LED 的特点是：工作电压很低 (有的仅一点几伏 )；工作电流很小 (有的仅零点几毫安即可发光 )；抗冲击和抗震性能好，可 靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。 由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中 常常 用作光源。 在本设计中， 利用单片机的 、 和 口直接和 发光二极管 相连接，控 制程序放在 MCS51 单片机的 ROM 中。 由于 测试指示 灯为发光二极管且阳极通过限流电阻与电源正极相接，所以为共阳极。 因此 I/0 口输出低电平时，与之相连的相应指示灯会亮； I/0 口输出高电平时，相应的指示灯会灭。 发光二极管 的 接口 电路 如图 32 所示： 图 32 发光二极管 的 接口 电路 发光二极管 的设计中，每个二极管与单片机接口间有一个电阻 ，其阻值至少为 180 欧。 按 15mA 来计算，需要让与之串联的电阻，分去 VCC 5V 电压中的 ，则得到 R=U/I=， 且电阻的功率为 P=UI=*=。 另外，在本设计中， LED 应用于七位数码管中， 实现 了 被测参数的显示 ，七位数码管 以 共阴 极的方式 经过 74LS573 锁存器 与单片机的 P0 口相连。 六位数码管显示 被测参数 的示值从左到右依次代表十万、万、千、百、十和个位 ，这样显示结果 更为简单可行。 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数 字， 因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 1)静态显示驱动： 静态驱动也称直流驱动 ， 静态驱动是指每个数码管的 每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二 十进制译码器译码进行驱动。 静态驱动 使 编程简单，显示亮度高。 2)动态显示驱动： 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM端电路的控制，所以我们 只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 通过分时轮流控制各个数码管 的 COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。 在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1～ 2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 经过对两种显示方式的比较分析：静态方式需要大量 I/O，而动态扫描显示方 式能够节省大量的 I/O 口，且电路结构也比较简单，显示效果良好，因此最终 采用动态扫描显示方式。 系统核心电路 (AT89S52 最小系统 )的 P0 口以总线方式与 二 片数据锁存器(74HC573)相连接， 二 片 74HC573 的片选使能端 (LE)分别连接在或非门(74HC02)的 4 管脚，三个或非门相类似，都是两个输入端的其中一端接在单片机的 16 管脚 (WR)，而另一端分别接在 ~。 单片机片选 电路如图33 所示。 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计 11 图 33 单片机 片选电路 或非门片选电路分析：当单片机通过 P0 口总线输出数据时， 16 管脚 (WR)为低电平“ 0”，片选信号端 ~ 中，要被片选端为“ 0”，其它为“ 1”，这样三个或非门中，只有需要片选中或非门的输出为高电平“ 1”，其它两个或非门的输出信号为低电平“ 0”。 另外， 74HC573 数据锁存器的 LE 使能端为高电平有效，与之前电路结合可以实现片选功能。 在本设计中， LED 显示接口电路 如下图 34 所示： 图 34 LED 显示接口 电路 电路由 6 个共阴极数码管、两个 74HC573 和一个 ULN2803 组成。 两个 74HC573 分别作为段码和位码的数据锁存器，它们的片选信号来自最小系统 AT89S52 的 和 ，由此可以计算出它们的片选地址：段码片选地址为 [C000H~DFFFH]，位码片选地址为 [A000H~BFFFH]。 ULN2803 是达林顿 管 ，在电路中能起到大电流输出和高压输出 的 作用。 由于电路使用的是共阴极动态显示方式， ULN2803 在位码数据锁存器后连接八个数码管的 COM 端，可以增强驱动数码管的能力，使数码管的显示效果更好。 本设计中设置了 Sr,Sc,SL 三个按键， 利用单片机的 、 和 口直接和 按键 相连接，控制程序放在 MCS51 单片机的 ROM 中 用于 启动各个 被测 参数 程序的 调整。 见图 35 按键电路所示 图 35 按键电路 控制 R、 L、 C的三 个按键接入一个 10K大小的上拉电阻，起限流保护作用。 当 有键按下时为低电平，无键按下时则为高电平。 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计 13 测量电阻 、 电容电路的设计 555 定时器简介 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。 因此集成 555 定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。 1)555 定时器内部结构 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路 ,其内部结构如图 36(A)部分 及管脚排列如图 (B)部分 所示。 图 36 定时器内部结构 它由分压器、比较器、基本 RS 触发器和放电三极管等部分组成。 分压器由三个 5KΩ 的等值电阻串联而成。 分压器为比较器 A A2提供参考电压，比较器 A1的参考电压为 ，加在同相输入端，比较器 A2的参考电压为 ，加在反相输入端。 比较器由两个结构相同的集成运放 A A2组成。 高电平触发信号加在 A1 的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS 触发器 端的输入信号；低电平触发信号加在 A2 的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本 RS 触发器 端的输入信号。 基本RS 触发器的输出状态受比较器 A A2的输出端控制。 2)多谐振荡器工作原理 由 555 定时器组成的多谐振荡器如图 37(C)部分 所示，其中 R R2 和电容 C 为外接元件。 其工作波如图 (D)部分 所示。 图 37 震荡器工作原理 设电容的初始电压 Uc＝ 0， t＝ 0 时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端 VTH＝ VTL＝ 0 ，比较器 A1 输出为高电平， A2 输出为低电平，即 =1， =0(1 表示高电位， 0 表示低电位 )， RS 触发器置 1，定时器输出 u0=1 此时 ，定时器内部放电三极管截止，电源 Vcc 经 R1， R2 向电容 C充电， uc逐渐升高。 当 uc上升到 时， A2输出由 0 翻转为 1，这时 = =1，RS 触发顺保持状态不变。 所以 0tt1期间，定时器输出 u0为高电平 1。 时刻， uc上升到 ，比较器 A1的输出由 1 变为 0，这时 =0， =1，RS 触发器复 0，定时器输出 u0=0。 期间， ，放电三极管 T 导通，电容 C 通过 R2放电。 uc按指数规律下降 ,当 时比较器 A1输出由 0 变为 1， RS 触发器的 = =1，Q 的状态不变， u0的状态仍为低电平。 时刻， uc下降到 ，比较器 A2输出由 1 变为 0， RS 触发器的 =1，=0，触发器处于 1，定时器输出 u0=1。 此时电源再次向电容 C 放电，重复上述过程。 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计 15 通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出 u0=1，电容放电时， u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。 多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的 电能。 3)振荡周期 由图 (D)可知，振荡周期 T=T1+T2。 T1 为电容充电时间， T2 为电容放电时间。 充电时间 ： (32) 放电时间 ： (33) 矩形波的振荡周期 ： (34) 因此改变 R R2和电容 C 的值，便可改变矩形波的周期和频率。 对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比 q， q=(脉宽 tw)/(周期 T)， tw指输出一个周期内高电平所占的时间。 图（ C）所示 电路输出矩形波的占空比 ： (35) 测量电阻电路的设计 定时器 555 是一种用途很广的集成电路，只需外接少量 R、 C 元件，就可以构成多谐、单稳及施密特触发器。 电阻的 测量采用“脉冲计数法”，由 555 电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。 555 接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为： (36) 得出： (37) 即 ： (38) 电路分为 2 档： 100 Rx1000 Ω： 按下电阻测试建 Sr，闭合开关 Srd,R2=330Ω,C2=： (39) 1000 Rx 1M Ω： 按下电阻测试建 Sr，闭合开关 Srg,R1=20KΩ,C3=103pF： (310) 电阻 测试电路见图 38 所示。 图 38 电阻 测试电路 测 量电容电路的设计 电 容 的 测量同样采用“脉冲计数法”，由 555 电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。 555 接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为： (311) 我们设置 R1=R2, 得出 ： 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计 17 (312) 即： (313) 电路分为 1 档： R4=510KΩ,R4=R6； (314) 电容测试电路见图 39 所示。 图 39 电容 测试电路 测量电感电路的设计 及仿真 测量电感电路的设计 电感 的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。 电容 三点式振荡 电路 又称考毕兹 振荡 电路 ， 三点式 振荡 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，而与发射级相连的两个电抗元件同为电容式的三点式 振荡 电路， 也就 是 射同基反 的构成原则 成为电容三点式 振荡 电路。 其振荡频率为：。