电阻电感电容测试仪
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图 3.2 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 3.3V 时的工作电流 15mA 来计算,需要让与之串联的电阻,分 去 VCC 5V 电压中的 2.7V 电压,则得到 R=U/I=2.7V/0.015A=180 欧,且电阻 的功率为 P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。
2 系统总体设计
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电子信息工程专业
2.1 电阻、电容、电感测试仪设计方案比较
课程设计
电阻、电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成,例如利用模拟电路, 电阻可用比例运算器法和积分运算器法,电容可用恒流法和比较法,电感可用 时间常数发和同步分离法等、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片 机结合或 CPLD 与 EDA 相结合等等来实现。在设计前对各种方案进行了比较:
在本设计中,考虑到单片机构成的应用系统有较大的可靠性,容易构成各种 规模的应用系统,且应用系统有较高的软、硬件利用系数。还具有可编程性, 硬件的功能描述可完全在软件上实现。另外,本设计还需要利用单片机的定时 计数器、中断系统、串行接口等等,所以,选择以单片机为核心进行设计具有 极大的必要性。在硬件设计中,选用 MS-51 系列单片机,其各个 I/O 口分别接 有按键、LED 灯、七位数码管等,通过软件进行控制。 本设计中单片机的设计电路如下图 3.1 所示:
在本设计中,LED 显示接口电路如下图 3.4 所示:
图 3.4 LED 显示接口电路
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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 P2.5 和 P2.6,由此可以计算出它们的片选地址:段码片选
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电阻、电容、电感测试仪
唐先勇
(德州学院物理系,山东德州 253023) 摘 要 系统的硬件设计是以 MCS-51 单片机为核心的电阻、电容、电感测试仪,将电阻, 电容,电感,使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。其中电阻和电容是采 用 555 多谐振荡电路产生的,而电感则是根据电容三点式产生的,将振荡频率送入 AT89C52 的计数端端,通过定时并且计数可以计算出被测频率,再通过该频率计算出被测参数。系 统的软件设计是以 Keil51 为仿真平台,使用 C 语言与汇编语言混合编程编写了系统应用软 件;包括主程序模块、显示模块、电阻测试模块、电容测试模块和电感测试模块。
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3)测量电路:RC 震荡电路是利用 555 振荡电路实现被测电阻和被测电容频
率化。电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数频率
化。通过 51 单片机的 IO 口自动识别量程切换,实现自动测量。
3 系统硬件设计
3.1 MCS-51 单片机电路的设计
电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算 器法。比例运算器法测量误差稍大,积分运算器法适用于高电阻的测量。
传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单,速度快,但 精度低;后者测量精度高,但速度慢。随着数字化测量技术的发展,在测量速 度和精度上有很大的改善,电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。
DNG
图 3.1 单片机的设计电路
本电路使用单片机内部振荡器,11.0592MHz 的晶体谐振器直接接在单片机
的时钟端口 X1 和 X2,电路中 C2、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:
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 1、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 P2.5~P2.6。单片机片选电路如图
3.3 所示。
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图 3.3 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 P2.5~P2.7 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。
1)利用纯模拟电路 虽然避免了编程的麻烦,但电路复杂,所用器件较多,灵活性差,测量精 度低,现在已较少使用。 2)可编程逻辑控制器(PLC) 应用广泛,它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快,体积小, 可靠性和精度都较好,在设计中可采用 PLC 对硬件进行控制,但是用 PLC 实 现价格相对昂贵,因而成本过高。 3)采用 CPLD 或 FPGA 实现 应用目前广泛应用的 VHDL 硬件电路描述语言,实现电阻,电容,电感测 试仪的设计,利用 MAXPLUSII 集成开发环境进行综合、仿真,并下载到 CPLD 或 FPGA 可编程逻辑器件中,完成系统的控制作用。但相对而言规模大,结构 复杂。 4)利用振荡电路与单片机结合 利用 555 多谐振荡电路将电阻,电容参数转化为频率,而电感则是根据电 容三点式电路也转化为频率,这样就能够把模拟量近似的转换为数字量,而频 率 f 是单片机很容易处理的数字量,一方面测量精度高,另一方面便于使仪表 实现自动化,而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配 置灵活。容易构成各种规模的应用系统,且应用系统有较高的软、硬件利用系 数。单片机具有可编程性,硬件的功能描述可完全在软件上实现,而且设计时 间短,成本低,可靠性高。 综上所述,利用振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为 简便可行,节约成本。所以,本次设计选定以单片机为核心来进行。
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。
T=RC
(3-1)
当需要复位时,也可以按下复位按键,进行复位。
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3.2 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 P1.0、P1.1 和 P1.2 口直接和发光二极管相连接, 控制程序放在 MCS-51 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 3.2 所示:
电感测量可依据交流电桥法,这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交 流电桥的平衡过程复杂,而且通过测量 Q 值确定电感的方法误差较大,所以电 感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。
由于测量电阻,电容,电感方法多并具有一定的复杂性,所以本次设计是 在参考 555 振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用 555 振荡器将 被测参数转化为频率,这里我们将 RLC 的测量电路产生的频率送入 AT89C52 的计数端端,通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个 参数。
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
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。
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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