【正文】 較 電阻 、 電容 、 電感測試儀 的設(shè)計(jì)可用 多 種方案完成， 例如利用模擬電路，電阻可用比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時(shí)間常數(shù)發(fā)和同步分離法等 、 使用 可編程邏輯控制器 (PLC)、 振蕩電路與 單片機(jī) 結(jié)合 或 CPLD 與 EDA 相結(jié)合等等 來實(shí)現(xiàn)。 在設(shè)計(jì)前對各種方案進(jìn)行了比較： 1)利用純 模擬 電路 雖然 避 免了編程的麻煩，但電路復(fù)雜，所用器件較多 ，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。 2)可編程邏輯控制器 (PLC) 應(yīng)用廣泛，它能夠非常方便地集成到工業(yè)控 制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計(jì)中可采用 PLC 對硬件進(jìn)行控制，但是用 PLC 實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對昂貴，因而成本過高。 3)采用 CPLD 或 FPGA 實(shí)現(xiàn) 應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的 VHDL 硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn) 電阻，電容，電感測試儀 的設(shè)計(jì)，利用 MAXPLUSII 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，并下載到 CPLD 或 FPGA 可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但 相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。 4)利用振蕩電路與 單片機(jī) 結(jié)合 利用 555 多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，而電感 則是根據(jù)電容三點(diǎn)式電路也轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率 f 是單片機(jī)很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且 單片機(jī) 構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置 靈活。 容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)， 且 應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機(jī)具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高。 綜上所述，利用振蕩電路與 單片機(jī) 結(jié)合實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)選定以單片機(jī)為核心來進(jìn)行。 系 統(tǒng)的原理框圖 本設(shè)計(jì)中， 考慮到單片機(jī)具有物美價(jià)廉、功能強(qiáng)、使用方便靈活、可靠性高等特點(diǎn)，擬采用 MCS 51 系列的單片機(jī) 為核心 來實(shí)現(xiàn) 電阻、電容、電感測試儀 的控 制。系統(tǒng)分四大部分：測量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過 和 向模擬開關(guān)送兩位地址信號，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖 21 如下所示。 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 框圖各部分說明 如下： 1)控制部分：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，采用 89C52 單片機(jī)，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時(shí) /計(jì)數(shù)器和 LCD 顯示功能等。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置了1 盞電源指示燈，采用 LCD1602 液晶顯示：本設(shè)計(jì)中有 1 個(gè) CD450 3 個(gè) LM553 個(gè)測量選擇按鍵和 3 個(gè)指示燈。按鍵：本設(shè)計(jì)中有 R， C， L 三個(gè)按鍵，可靈活控制不同測量參數(shù)的切換，實(shí)現(xiàn)一鍵測量。 2)通道選擇：本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)控制 CD4052 模擬開關(guān)來控制被測頻率的自動(dòng)選擇。 3)測量電路： RC 震蕩電路是利用 555 振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測電阻和被測電容頻率 化。電容三點(diǎn)式振蕩電路是利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化。 被測電阻 被測電容 被測電感 RC 振蕩電路 RC 振蕩電路 電容三點(diǎn)式振蕩電路 多路選擇開關(guān) CD4052 51 單片機(jī) 二極管指示燈 液晶顯示電路 按鍵選擇測量電路 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) MCS51 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，考慮到單片機(jī) 構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性 ， 容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)， 且 應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。 還 具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn) 。另外，本設(shè)計(jì)還需要利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)具有極大的必要性。在硬件設(shè)計(jì)中，選用 MS51 系列單片機(jī)，其各個(gè) I/O 口分別接有按鍵、 LED 燈、 LCD 液晶屏等，通過軟件進(jìn)行控制。 MCS51 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元 ，以 及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在分別加以說明： 1)中央處理器： 中央處理器 (CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)： 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 128 個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 3)程序存儲(chǔ)器 (ROM)： 共有 4096 個(gè) 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 4)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (ROM)： 有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 5)并行輸入輸出 (I/O)口： 共有 4 組 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 6)全雙工串行口： 內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 7)中斷系統(tǒng)： 具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串 口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 8)時(shí)鐘電路 ： 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈 沖 時(shí)序。 本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的設(shè)計(jì)電路如下圖 31 所示： 圖 31 單片機(jī)的設(shè)計(jì)電路 本電路使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器， 的晶體諧振器直接接在單 片機(jī)的時(shí)鐘端口 X1 和 X2，電路中 C C9 為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工作可靠 。另外本系統(tǒng)的容阻上電復(fù)位，就是利用 RC 電路的充電過程來給單片機(jī)復(fù)位。 RC 電路的時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式： T=RC (31) 即： T=RC=*10k=33ms。當(dāng)需要復(fù)位時(shí)，也可以按下復(fù)位按鍵，進(jìn)行復(fù)位。 顯示電路與按鍵電路的設(shè)計(jì) 隨著智能儀器設(shè)備的快速發(fā)展，液晶顯示器的使用越來越普遍。與傳統(tǒng)的數(shù)碼管相比，液晶顯示器具有顯示信息多顯示規(guī)范體積小和功耗低等 優(yōu)點(diǎn)，因電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 此是智能儀器智能設(shè)備顯示終端的首選。目前，液晶顯示器主要可分為點(diǎn)陣字符式和點(diǎn)陣圖形式。點(diǎn)陣字符式價(jià)格比較低廉使用也比較方便，但它一般只能顯示模塊預(yù)先存儲(chǔ)的幾十到一百個(gè)字符，使用受到一定的限制：而點(diǎn)陣圖形式可以根據(jù)需要顯示各種圖形曲線漢字和字符，因此有更加廣泛的用途。點(diǎn)陣字符型液晶顯示器專門用于顯示數(shù)字字母圖形符號及少量自定義符號的顯示器。這類顯示器把 LCD控制器 /點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)器 /字符存貯器全做在一塊印刷版上。 本設(shè)計(jì)中采用常用的 2 行 16 列的字符型的 LCD1602 液晶模塊來顯示電容值。 LCD1602采用 標(biāo)準(zhǔn)的 14腳接口，其中： 第 1腳： VSS為地電源 第 2腳： VDD接 5V正電源 第 3腳： V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K的電位器調(diào)整對比度 第 4腳： RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第 5腳： R/W為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng) RS 和 RW 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 RW 為高電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng) RS為高電平 RW 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 7～ 14腳： D0～ D7為 8位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15腳：背光電源正極 第 16腳：背光電源負(fù)極 LCD1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（ CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如表 1所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“ A”的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時(shí)模塊把地址 41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“ A” 。 單片 機(jī) P2口分別控制 RS ， EN， R/w 和使能端 E。 D0~D7 為 LCD1602 液晶模塊的 8位雙向數(shù)據(jù)線，分別與 STC89C52RC 單片機(jī)的 ~ 相連，用于傳輸數(shù)據(jù)。 單片機(jī)與 LCD1602 液晶模塊連接圖如圖 。 圖 顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中設(shè)置了 R,C,L 三個(gè)按鍵，利用單片機(jī)的 、 和 口直接和按鍵相連接，控制程序放在 MCS51 單片機(jī)的 ROM 中用于啟動(dòng)各個(gè)被測參數(shù)程序的調(diào)整。見圖 35 按鍵電路所示 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 圖 35 按 鍵電路 當(dāng) 有鍵按下時(shí)為低電平，無鍵按下時(shí)則為高電平。 測量電阻、電容電路的設(shè)計(jì) 555 定時(shí)器簡介 555 定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成 555 定時(shí)被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。 1)555 定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 555 定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 36(A)部分及管腳排列如圖 (B)部分所示。 圖 36 定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 它由分壓器、比較器、基本 RS 觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個(gè) 5KΩ 的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器 A A2 提供參考電壓，比較器 A1 的參考電壓為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，加在同相輸入端，比較器 A2 的參考電壓為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放 A A2 組成。高電平觸發(fā)信號加在 A1 的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本 RS 觸發(fā)器 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加 在 A2 的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本 RS 觸發(fā)器 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 端的輸入信號。基本 RS 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器 A A2 的輸出端控制。 2)多諧振蕩器工作原理 由 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖 37(C)部分所示，其中 R R2 和電容 C 為外接元件。其工作波如圖 (D)部分所示。 圖 37 震蕩器工作原理 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 設(shè)電容的初始電壓 Uc＝ 0， t＝ 0 時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端 VTH＝ VTL＝ 0 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，比較器 A1 輸出為高電平， A2 輸出為低電平，即 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =0(1 表示高電位， 0 表示低電位 )， RS 觸發(fā)器置 1，定時(shí)器輸出u0=1 此時(shí) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源 Vcc 經(jīng) R1，R2 向電容 C 充電， uc逐漸升高。當(dāng) uc 上升到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 時(shí)， A2輸出由 0 翻轉(zhuǎn)為 1，這時(shí) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， RS 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以 0tt1 期間，定時(shí)器輸出 u0 為高電平 1。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 時(shí)刻， uc 上升到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，比較器 A1 的輸出由 1 變?yōu)?0，這時(shí) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =0， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， RS觸發(fā)器復(fù) 0，定時(shí)器輸出 u0=0。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 期間， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，放電三極管 T 導(dǎo)通，電容 C 通過 R2 放電。 uc按指數(shù)規(guī)律下降 ,當(dāng) 時(shí)比較器 A1 輸出由 0 變?yōu)?， RS 觸發(fā)器的 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， Q 的狀態(tài)不變， u0 的狀態(tài)仍為低電平。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 時(shí)刻， uc 下降到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，比較器 A2 輸出由 1 變?yōu)?0， RS 觸發(fā)器的 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。=0，觸發(fā)器處于 1，定時(shí)器輸出 u0=1。此時(shí)電源再次向電容 C 放電，重復(fù)上述過程。 通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出 u0=1，電容放電時(shí)， u0=0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，