【文章內(nèi)容簡介】 8 位 I/O口。 共有 21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 由上可見， AT89S52 單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機 CPU中的位處理器，它實際上是一個 完整的 1 位微計算機，這個一位微計算機有自己的 CPU、位寄存器、 I/O口和指令集。 1位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。 MCS51單片機中 8位機和 1 位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術(shù)上的一個突破，這也是 MCS51單片機在設(shè)計的精美之處。在本設(shè)計里，單片機的最主要的一個作用就是完成頻率的計數(shù)。通過外圍電路與單片機 口相連接，通過單片機 ，將定時器的時間設(shè)定在 1秒，1秒 。由 于頻率 f是單片機很容易處理的數(shù)字量，單片機在計數(shù)時誤差值非常小，所以，對提高測量的精度很有幫助。 簡易 R、 L、 C 測量儀 11 繼電器的工作原理 在本設(shè)計中，實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換成為設(shè)計的重點和難點，本設(shè)計通過軟件對其量程進行控制，通過對其電路產(chǎn)生的頻率，如果頻率不在所選的范圍內(nèi)，通過單片機端口輸出高低電平，來控制繼電器工作，從而實現(xiàn)硬件的量程轉(zhuǎn)換。所以，繼電器的使用好 壞直接影響了設(shè)計的質(zhì)量好壞。 繼電器的定義 為了實現(xiàn)弱電對強電的控制，或者實現(xiàn)被控負載的隔離，電子系統(tǒng)通常通過控制繼電器來實現(xiàn)對負載的控制。繼電 器是 當輸入量 (或激勵量 )滿足某些規(guī)定的 條件時，能在一個或多個輸入電路中產(chǎn)生躍變的一種器件。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種 “ 自動開關(guān) ” 。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。 電磁繼電器的工作原理和特性 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服 返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的 “ 常開、常閉 ” 觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為 “ 常開觸點 ” ；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為 “ 常閉觸點 ” 。本設(shè)計中，使用的是固體繼電器。利用電子元件實現(xiàn)繼電器的功能而無機械運動構(gòu)件，同時其輸入和輸出電路相互隔離的一種繼電器。固體繼電器 的輸入電路（單片機的端口）是為輸入控制信號提供一個回路，使之成為固體繼電器的觸發(fā)信號源。固體繼電器的驅(qū)動電路給輸出器件提供觸發(fā)信號。在觸發(fā)信號信號控制下，其輸出電路實現(xiàn)固體繼電器的通斷切換。 繼電器的工作環(huán)境 固體繼電器是一種無觸點電子開關(guān)，主要由輸入（控制）電路，驅(qū)動電路和輸入電路三部分組成。其原理圖如圖 9 所示： 簡易 R、 L、 C 測量儀 12 圖 9 原理圖 LCD 的引腳功能 本設(shè)計采用 1602 作為顯示模塊， 1602 采用標準的 16腳接口，其中；第 1 腳：VSS 為地電源。 第 2 腳： VDD接＋ 5V 電源。 第 3 腳： V0 為液晶 顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個 10K的電位器調(diào)整對比度。 第 4 腳： RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。 第 5 腳： RW為讀寫信號線，高電平進行讀操作，低電平時進行寫操作。當 RS和 RW共同為低電平時，可以寫入指令或者顯示地址，當 RS為低電平 RW 為高電平時可以讀忙信號，當 RS為高電平 RW 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當 E端由高電平跳變成低電平時，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～ 16 腳：空腳。 測 Rx 的 RC 振蕩電路 在電路中采用 RC 振蕩電路來測量電阻 R、電容 C 的值，用 555 時基電路構(gòu)成RC 振蕩器。如圖 10 所示，將 555 與三個阻、容元件如圖連接，便構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧簡易 R、 L、 C 測量儀 13 振蕩模式。 圖 10 電路圖 圖 11 波形圖 當加上 CCV 電壓時，由于 C 上端電壓不能突變，故 555 處于置位狀態(tài)，輸出端呈高電平“ 1”，而內(nèi)部的放電 COMS 管截止， C 通過 AR 和 BR 對其充電，觸發(fā)電平電位隨 C 上端電壓的升高呈指數(shù)上升，波形如圖 11所示： 當 C 上的電壓隨時間增加，達到 2/3Vcc 閾值電平時，上比較器 A 翻轉(zhuǎn)，使 RS觸發(fā)器置位，經(jīng)緩沖級倒相，輸出 OV 呈低電平“ 0”。此時，放電管飽和 導通， C 上的電荷經(jīng) BR 至放電管放電。當 C 放電使其電壓降至 1/3Vcc 觸發(fā)電平時，下比較器 B翻轉(zhuǎn)，使 RS觸發(fā)器復位，經(jīng)緩沖級倒相，輸出 OV 呈高電平“ 1”。以上過程重復出現(xiàn)，形成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩。 由上面對多諧振蕩過程的分析不難看出，輸出脈沖的持續(xù)時間 1t 就是 C 上的電壓從 1/3Vcc 充電到 2/3Vcc 所需的時間，故 C 兩端電壓的變化規(guī)律為 簡易 R、 L、 C 測量儀 14 / ( ) / ( )1( ) ( 1 ) 3A B A Bt R R C t R R CC C C C CU t V e V e? ? ? ?? ? ? 設(shè) 1 ()ABR R C? ?? ，則上式簡化為 1/2( ) (1 )3 tC C CU t V e ???? 從上式中求得 1 1 11ln 0 .6 9 3 22t ??? ? ? 一般簡寫為 1 32( )ABt R R C?? 電路間歇期 2t 就是 C 兩端電壓從 2/3Vcc 充電到 1/3Vcc 所需的時間，即 /2() 3 Bt R CC CCU t V e?? 從上式中求得 2t ，并設(shè) 2 BRC? ? ，則 2 2 21ln 0 .6 9 32t ??? ? ? 一般簡寫為 2 Bt R C? 那么電路的振蕩周期 T 為 1 2 1 93 ( ) 93 ( 2 )ABT t t R R C??? ? ? ? ? ? 振蕩頻率 1/fT? ， 3 /( 2 ) ( )ABf R R C Hz?? 輸出振蕩波形的占空比為 1 / ( ) /( 2 )A B A BD t T R R R R? ? ? ? 從上面的公式推導，可以得出（ 1）振蕩周期與電源電壓無關(guān)，而取決于充電和放電的總時間常數(shù)，即僅 C 、 AR 、 BR 的值有關(guān)。（ 2）振蕩波的占空比與 C 的大小無關(guān)，而僅與 AR 、 BR 的大小比值有關(guān)。 簡易 R、 L、 C 測量儀 15 第三章 設(shè)計電路 測量電阻的電路模塊 圖 12 是一個由 555 時基電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，由該電路可以測出量程在100Ω～ 1MΩ的電阻。該電路的振蕩周期為 12 ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 )x x xT t t I n R R C I n R C I n R R C? ? ? ? ? ? ? 其中 1t 為輸出高電平的時間， 2t 為輸出低電平的時間。則： 12 ( 2 )xRR In Cf?? 為了使振蕩頻率保持在 10 100kHz 這一段單片機計數(shù)的高精度范圍內(nèi)，需選擇合適的 C 和 R 的值。第一個量程選擇 20 0 , 0. 22R C uF? ? ? ，第二個量程選擇20 , 10 00R k C pF? ? ? 。這樣，第一個量程中， 100XR ??時 61( 2) ( 2 ) 2 10 ( 200 200 )XfIn C R Rk H Z????? ? ?? 第二個量程中， 1XRM??時 9 3 61( 2) ( 2 )1 10 ( 20 10 2 10 )714XfIn C R Rk H Z????? ? ? ? ?? 因為 RC振蕩的穩(wěn)定度可達 103，單片機測頻率最多誤差一個脈沖，所以用單片機測頻率引起的誤差在百分之一以下。 在電路中之所以選用可調(diào)電位器是因為繼電器的內(nèi)阻并不清楚，在進行測量之前需要進行校準。把標準電阻插在插接口上，調(diào)節(jié)電位器，使數(shù)碼管顯示標稱阻值。在以后的測量過程中，便可直接測量電阻。 利用單片機端口通過軟件編程的方法來控制繼電器的改變，實現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。 簡易 R、 L、 C 測量儀 16 圖 12 測量電阻的電路 測電容的 RC 振蕩電路 測量電容的振蕩電路與測量電阻的振蕩電路基本上一樣。其電路圖如圖 13 所示： 若 R1=R2，則 13(ln 2)Xf RC? 三個量程的取值分別為 第一量程： R1=R2=510K? 第二量程： R1=R2=300K? 第三量程： R1=R2 =10K? 其分析過程如測量電阻的方法一樣，這里就不在贅述了。 簡易 R、 L、 C 測量儀 17 圖 13 測量電容的電路 測電感的電容三點式振蕩電路 在本設(shè)計中， 電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的 ，如圖 14所示 。三點式電路是指： LC回路中與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點式電路，成為電容三點式電路。 在這個電容三點式振蕩電路中， C4 C5 分別采用1000pF、 2200pF 的獨石電容，其電容值遠 大于晶體管極間電容，可以把極間電容忽略。 振蕩公式： 12f LC?? ，其中 45CCC? ? 則電感的感抗為 2214L fC?? 在測量電感的時候，發(fā)現(xiàn)電感起振頻率非常的高，大致到達 3MHz 左右，而單片機的最大計數(shù)頻率大約為 500KHz，在頻率方面達不到測量電感頻率，于是我們把測電感的電容三點式電路得出的頻率經(jīng)過由兩片 74LS161 組成八位計數(shù)器作為分頻電路對該頻率進行分頻，有 3000000/64=46875，滿足單片機計數(shù)要求。 簡易 R、 L、 C 測量儀 18 圖 14 測量電感的電路 在分頻器方面，采取兩塊 74LS161 芯片并行進位方式，具體連接方式如圖 16所示，在第一片 74161 中，采取 16倍分頻，每產(chǎn)生一個進位，第二片 74161 計數(shù)一次，當 QaQbQcQd=1101 也即當?shù)诙K芯片計數(shù)到 4 次，產(chǎn)生一次進位 ,使得第二塊芯片從 1100重新開始計數(shù)，即 16 4＝ 64倍分頻， RCO 就是分頻后所需要的頻率，第二塊芯片工作狀態(tài)圖如圖 15所示： 圖 15 第 2 塊 74LS161 芯片工作狀態(tài)圖 簡易 R、 L、 C 測量儀 19 圖 16 74LS161 分頻原理 簡易 R、 L、 C 測量儀 20 第四章 軟件設(shè)計 在本設(shè)計中，采取的是以 AT89S52 單片機為控制核心，在程序中，涉及到按鍵的選擇，頻率的計數(shù)，量程的切換，將頻率轉(zhuǎn)換成所要求的參數(shù)，以及將所計算出的參數(shù)，送到 LCD顯示等等。所以，軟件的編寫變得尤其主要。開始工作的時候，初始化系統(tǒng)， LCD 顯示 ” WELCOME” 。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計的主流程圖如圖 17所示。對系統(tǒng)初始化之后，判斷是否有按鍵按下。以測電阻為例，測量的電阻經(jīng) RC振蕩電路轉(zhuǎn)換為頻率 f，根據(jù)測電阻的換算公式，利用單片機 軟件編程，測量出其阻值并送顯示。如果量程不夠大，系統(tǒng)將量程自動轉(zhuǎn)換為大量程，進行測量。 圖 17 軟件設(shè)計的主流程圖 以電容測量為例，其量程轉(zhuǎn)換的過程方框圖如圖 18 所示： 簡易 R、 L、 C 測量儀 21 圖 18 電容測量流程圖 電阻的測量與電容不相同，由于在實際設(shè)計頻率程序編寫的很成功，在電阻測量電路中，單片機計數(shù)測量精度很高，基本不需要量程轉(zhuǎn)換，就可以達到預期的效果。在電感測量中，由于設(shè)計中采取了 64倍分頻，所以，也不需要對其進行軟件切換量程，直接測量，基本可以完成設(shè)計指標中電感 100 181。H～ 10 mH 的要求。 在設(shè)計中，電路 中存在著許多客觀原因，使得設(shè)計存在著一定的測量誤差，在軟件中，需要對各個量程進行或多或少的軟件補償。通過對測量頻率的調(diào)整來達到改善的目的，在設(shè)計測試中，只有經(jīng)過大量的測試，才能找到合適的補償值。在計數(shù)中，為了減少計數(shù)誤差，本設(shè)計采用了取其三秒鐘的頻率，然后取其平均值的方法，這樣，測得的頻率就誤差就很小。