【正文】 .................................................................. 37 目 錄 V 附錄一 系統(tǒng)原理圖及 PCB .............................................................................. 37 附錄二 源程序 ................................................................................................... 39 前言 1 1 前言 設(shè)計的背景及意義 目前， 隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們 常常要測定電阻，電容，電感的大小。因此，設(shè)計可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。 通常 情況下， 電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進(jìn)行測量 。 電阻測量 依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法 、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。 傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法 兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。 電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準(zhǔn)確的測量電感但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測量 Q 值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。 由于 測量電阻 ，電容，電感方法多 并具有一定的復(fù)雜性，所以本次設(shè)計是在參考 555 振 蕩器 基礎(chǔ)上擬定的一套自己的設(shè)計方案。是 嘗試用 555 振蕩器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率， 這里我們將 RLC 的測量電路產(chǎn)生的頻率送入 AT89C52的計數(shù)端端，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率再通過該頻率計算出各個參數(shù)。 電阻 、 電容 、 電感 測試儀 的發(fā)展歷史及研究現(xiàn) 狀 當(dāng)今電子測試領(lǐng)域，電阻，電容和電感的測量已經(jīng)在測量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)用的十分廣泛。 電阻 、 電容和電感測試發(fā)展已經(jīng)很久，方法眾多，常用測量方法如下。電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖 然能較準(zhǔn)確的測量電感但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測量 Q 值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離 法。 在我國 1997 年 05 月 21 日中國航空工業(yè)總公司 研究出 一種 電阻、電容、電感在線測量方法及裝置 等電位隔離方法，用于對在線的電阻、電容、電感元件實行等電位隔離，其特征在于， (1)將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨器； (2)將基準(zhǔn)精密電阻 (R)的一端與被隔離的在線元件 (Z↓ [x])的一端通過導(dǎo)線連接，基準(zhǔn)精密電阻 (R)的另一端與信號源 (V↓ [i])或 者地連接，被隔離的在線元件 (Z↓ [x])的另一端通過導(dǎo)線與地或者信號源 (V↓ [i])連接，基準(zhǔn)精密電阻 (R)與被隔離的在線元件 (Z↓ [x])連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接； (3)通過導(dǎo)線將運算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點 (C)連接，隔離點 (C)的確定方法是：在線路板上凡是與被隔離的在線元件 (Z↓ [x])靠近信號源 (V↓ [i])的一端 (A)相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端 (C)。 中國本土測量儀器設(shè)備發(fā)展的主要瓶頸 。 盡管本土測試測量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中國開發(fā)測試測量 儀器還普遍比較落后。每當(dāng)提起中國測試儀器落后的原因，就會有許多不同的說法，諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等。實際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國測量儀器發(fā)展的瓶頸為： 。 由于人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產(chǎn)品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而測試則處于從屬和輔助位置。關(guān)于這一點，在幾乎所有的研究機構(gòu)部門配置上即可窺其一斑。這種錯誤觀念上的原因，造成整個社會對測試的重視度不夠，從而造成測試儀器方面人才的嚴(yán)重匱乏，造成相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究比較薄弱，這是中國測量儀器發(fā)展的一個主要瓶頸。實際上，即便是研發(fā)隊伍本身，對測試的重視度以及對儀器本身的研究也明顯不夠。 。 本土儀器設(shè)備廠商只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場，還沒有建立起一套完整的現(xiàn)代營銷體系和面向應(yīng)用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營銷模式在計劃經(jīng)濟年代里發(fā)揮過很大作用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國外先進(jìn)公司之間的差距，國內(nèi)儀器研發(fā)企業(yè)應(yīng)加速實現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向應(yīng)用的研發(fā)的過渡。特別是隨著國內(nèi)應(yīng)用需求的快速增長，為這一過渡提供了根本動力，應(yīng)該利用這 些動力，跟蹤應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。 。 由于歷史的原因，中國儀器配套行業(yè)的企業(yè)多為良莠不齊的小型企業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)化的研究也沒有跟上需求的快速發(fā)展，從而導(dǎo)致儀器的材料配套行業(yè)的技術(shù)水平較低。雖然目前已有較大的改觀，但距離整個產(chǎn)業(yè)的要求還有一定距離。所以，還應(yīng)把標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的研究放到重要前言 3 的位置。還有，在技術(shù)水平?jīng)]有達(dá)到的條件下，一味地追求精度或追求高指標(biāo)，而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。上述這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。 近年來 我 國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了 很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進(jìn)步，特別是通用電子測量設(shè)備研發(fā)方面，與國外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機，加上各級政府日益重視，以及中國自主應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究的快速進(jìn)展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過 30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中，無疑催生 出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品 。 本設(shè)計所做的工作 本設(shè)計是以 555 為核心的 振蕩電路 ，將 被測參數(shù)模擬轉(zhuǎn)化為頻率 ，并利用單片機實現(xiàn)計算頻率 ，所以，本次設(shè)計需要做好以下工作： (1)學(xué)習(xí)單片機原理等資料。 (2)學(xué)習(xí) PROTEL99E, 等工具軟件的使用方法。 (3)設(shè)計 測量電阻，電容，電感的振蕩電路 。 (4)設(shè)計 測量 LED 動態(tài)顯示 電路。 (5)設(shè)計 測量頻率 程序，設(shè)置程序。 (6)用 PROTEL 軟件繪制電原理圖和印刷電路版圖。 (7)安裝和調(diào)試，并進(jìn)行實際 測試，記錄測試數(shù)據(jù)和結(jié)果。 (8)撰寫畢業(yè)論文。 (9)完成英文翻譯。 本論文的結(jié)構(gòu)安排 本論文的結(jié)構(gòu)安排為：第 1 章 前言，第 2 章 電阻 、 電容 、 電感測試儀 的系統(tǒng)設(shè)計，第 3 章 電阻 、 電容 、 電感測試儀 的系統(tǒng)硬件設(shè)計，第 4 章 電阻 、電容 、 電感測試儀 的軟件設(shè)計，第 5 章 PCB 板的設(shè)計 與系統(tǒng)的調(diào)試 ，第六章 結(jié)論與展望。 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設(shè)計 5 2 電阻 、 電容 、 電感測試儀 的系統(tǒng)設(shè)計 電阻 、 電容 、 電感測試儀 設(shè)計方案比較 電阻 、 電容 、 電感測試儀 的設(shè)計可用 多 種方案完成， 例如 利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算 器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時間常數(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 結(jié)合 或 CPLD 與 EDA 相結(jié)合等等 來實現(xiàn)。 在設(shè)計前對各種方案進(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)計中可采用 PLC 對硬件進(jìn)行控制，但是用 PLC 實現(xiàn)價格相對昂貴，因而成本過高。 3)采用 CPLD 或 FPGA 實現(xiàn) 應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的 VHDL 硬件電路描述語言，實現(xiàn) 電阻，電容，電感測試儀 的設(shè)計，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 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 于使儀表實現(xiàn)自動化，而且 單片機 構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、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)。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設(shè)計時間短，成本低，可靠性高。 綜上所述，利用 振蕩電路與 單片機 結(jié)合 實現(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)計選定以單片機為核心來進(jìn)行。 系統(tǒng)的原理框圖 本設(shè)計中， 考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用 MCS 51 系列的單片機 為核心 來實現(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)計框圖如圖 21 如下 所示。 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計框圖 框圖各部分說明如下 ： 1)控制部分 ：本設(shè)計以單片機為核心，采用 89C51 單片機，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時 /計數(shù)器 和 LED 顯示功能等。 LED燈：本設(shè)計中，設(shè)置了 1 盞 電源指示 燈，采用 紅色 的 LED 以共陽極方式來連接，直觀易懂，操作也簡單。數(shù)碼管 顯示 ： 本設(shè)計中有 1 個 74HC0 2個 74LS57 1 個 2803 驅(qū)動和 6 個數(shù)碼管， 采用共陽極方式 連接構(gòu)成動態(tài)顯示部分，降低功耗 。鍵盤：本設(shè)計中 有 Sr， Sc， SL 三個按鍵，可靈活控制 不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量 。 2)通道選擇：本設(shè)計通過單片機控制 CD4052 模擬開關(guān)來控制被測頻率的自動選擇 。 3)測量電路 ： RC 震蕩電路 是 利用 555 振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電容頻率化。電容三點式振蕩電路 是 利用電容三點式振蕩電路實現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化 。 通過 51 單片機的 IO 口 自動識別 量程切 換，實現(xiàn)自動測量。 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 3 電阻、電容、電感測試儀 的系統(tǒng)硬件設(shè)計 MCS51 單片機電路的設(shè)計 在本設(shè)計中，考慮到單片機 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現(xiàn) 。另外，本設(shè)計還需要利用單片機的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機為核心進(jìn)行設(shè)計具有極大的必要性。在硬件設(shè)計中，選用 MS51 系列單片機，其各個 I/O 口分別接有按鍵、 LED 燈、七位數(shù)碼管 等，通過軟件進(jìn)行控制。 MCS51 單片機包含中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時 /計數(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)是整個單片機的核心部件，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)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 2)數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)： 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，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，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 3)程序存儲器 (ROM)： 共有 4096 個 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 /計數(shù)器 (R