【文章內容簡介】 設 計計 10 作用 。 555 定時器性能比較好，只要 少 接上幾個電阻、電容 就能構成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路，經常用于儀器儀表、電子測量等方面。此設計測量的原理就是，利用 555 定時器外加幾個電阻、電容或電感，生成多諧振蕩器。（ C1為比較器 1， C2 為比較器 2） 。 Vcc（ 8腳）：接 正 電源。 一般為 ~15V。 GND（ 1腳）：接地。 R（ 4 腳）： 復位端。當此端接低電平時，電路不工作，這時不管 TH 是何電平，電路輸出為 “0 。 這個端在不用的時候，應該接高電平。 TH（ 6 腳）：高電平觸發(fā)端。當此引腳的電壓 大于 2/3Vcc 的時候， 觸發(fā)器復位，那么輸出端處于 “0” 電平。 TR（ 2 腳）：低電平觸發(fā)端。當此引腳的電壓 小于 1/3Vcc 的時候，觸發(fā)器處于置位狀態(tài)，那么輸出端就處于 “1” 電平。 Cv（ 5 腳）：控制電壓端。此端與 2/3Vcc 分壓點相連，如果在這個端加入外部電壓，可以改變 上下觸發(fā)電位。 所以此端如果不用，就串入一只 的電容，并接地，防止引入干擾。 DC（ 7 腳）：放電端。此腳與放電管相連，用作定時電容的放電。 Q 或者 V0（ 3腳）：輸出端 。電路連接負載端，通常此腳為低電平，但在定時的時候是高電平。若測電阻，此腳與 X0相連；若測電容，此腳與 X1 相連 。 測電阻電路 圖 36測電阻電路 如 圖 36所示， Rx是被測的電阻，接通電源后，電容 C1通過 R1 和 Rx充電，當電容C1 上的電壓達到 2/3Vcc 時，比較器 1 開始動作， RS 觸發(fā)器翻轉，此時，輸出端輸出為硬硬 件件 設設 計計 11 低電平。由于 此時的三極管處于飽和導通狀態(tài)，電容 C1就通過 Rx 開始放電，當 C1上的電壓為 1/3Vcc 的時候，比較器 2開始動作， RS觸發(fā)器又被翻轉，而這時，輸出端輸出為高電平，三極管此時截止，電容 C1 又開始再一次的充電。 就這樣不斷重復這個充放電的過程，輸出端就是一個高低電平的矩形波，矩形波的周期就是充電時間加上放電時間。 充電時間為： t1=ln2*(R1+Rx)*C1 放電時間為： t2=ln2*Rx*C1 則矩形波的周期為： T=t1+t2=ln2*(R1+Rx)*C1+ln2*Rx*C1 =ln2*C1*（ R1+2Rx） 頻率為： f=1/T=1/ln2*C1(R1+2Rx) 如果測出矩形波的頻率 f， 則可推出 Rx=(1/ln2*f*C1R1)/2。 測量電容電路 圖 37測量電容電路 如上 圖中 Cx 為待測的電容 。 通上電后，電容 Cx 通過 R2和 D1 開始充電，當電容 Cx上的電壓達到 2/3Vcc 時，比較器 1開始動作， RS 觸發(fā)器被翻轉，此時，輸出端輸出為低電平。 RS 觸發(fā)器被翻轉以后，三極管處于飽和導通狀態(tài)， 因為二極管是單向導通，所以這時電容 Cx 開始通過 R3 放電，當電容 Cx上的電壓達到 1/3Vcc 時，比較器 2開始動作，RS 觸發(fā)器又被翻轉，輸出端輸出高電平，而三極管卻處于截止的狀態(tài)，電容 Cx又開始充電，就這樣反反復復的充放電，那么輸出端就會輸出一個高低電平矩形波，矩形波的周期就是放電時間與充電時間的和。 充電的時間： t1=ln2*Cx*R2 放電的時間： t2=ln2*Cx*R3 則矩形波的周期： T=t1+t2=ln2*Cx*R2+ln2*Cx*R3 硬硬 件件 設設 計計 12 =ln2*Cx*(R2+R3) 頻率為： f=1/T=1/ln2*Cx*(R2+R3) 如果已知頻率，則待測電容為： Cx=1/ln2*f*(R2+R3)。 軟軟 件件 設設 計計 13 4 軟件設計 這個設計的編程， 這里 使用的是 C 語言，其實用匯編語言會更容易些， 本人 對 C 語言比 較熟悉，所以 還是選擇了比較熟悉的語言來編寫程序。 圖 41總流程圖 圖 41 為， 初始化運行程序，按下測量電阻的按鈕，轉換測量電阻程序，得出結果，刷新顯示，測量電容轉換為測量電容程序得出結果，刷新顯示。 液液 晶晶 顯顯 示示 部部 分分 如圖 42 所示， 圖 42液晶流程圖 開始 初始化 測量電阻 測量 電 容 刷新顯示 轉換電阻程序 轉換電容程序 Y N N Y’ 開始運行程序 檢測系統(tǒng)初始化 查看 LED 是否顯示字符 寫入待測電阻電容數據 返回初始顯示，繼續(xù)檢測 Y 軟軟 件件 設設 計計 14 1602LCD 液晶顯示屏開始運行程序，顯示屏檢測系統(tǒng)初始化，查開 LED 顯示屏是否顯示出字符，然后輸入待測的電阻或電容數據，測量結果出現后，返回初始顯示 LED 屏幕，繼續(xù)檢測 。 定時 /計數部分 如圖 43所示， 圖 43定時 /計數流程圖 如圖 43 開始運行程序定時和計數，系統(tǒng) T0、 T1 開始初始化運行 T0 定時器運行，T1 計數開始運行，系統(tǒng)運行后程序開始檢測 T0是否溢出 ，讓系統(tǒng)開始終端 T1 停止計數，T0、 T1開始 初始化 運行 T0定時 器運行 ， T1計數 開始運行 檢測 T0是否溢出 系統(tǒng) 開中斷 T1停止計數 取出 T1的計數值 并發(fā)送到計算機 計算機 計算得到測量的頻率值 Y N 返回 初始程序 開始 運行定時和計數程序 軟軟 件件 設設 計計 15 然后系統(tǒng)取出 T1 的數值，發(fā)送到計算機中，計算機開始運行計算得到測量的頻率值，計算完畢后，返回出事程序。 AT89C51 芯片內有兩個 16 位的定時 /計數器： T0 和 T1。定時 /計數器的核心是一個加1 計數器，基本的功能是計數加 1。對 T0 或者是 T1引腳上輸入一個從 1 到 0 的跳變，那么計數加 1，這就是計數功能。對單片機內部的機器周期進行計數，從而得到定時，這就是定時功能。它們都是由軟件來設定的 。 對于這部分， T0 作為定時器， T1 用作計數器。其中 T0 的定時時間是已知的，定時時間為 t=10ms。 知 道定時的時間了，那么 單片機對來自 T1 上的跳變脈沖進行計數，當定時時間到，也就是定時溢出，就申請中斷，并停止 T1 的計數功能，從而得到 T1 的計數個數 N，那么頻率 f=N/t。 調調 試試 與與 仿仿 真真 16 5 調試 與仿真 仿真最主要的一步就是計算頻率， 頻率測量的方法有很多，有諧振法、外差法、示波法、電子計數器法， 這個設計中用的是電子計數器法，因為單片機的 T0 和 T1 可以直接用于測頻率，不需要接其它的電路，只要程序寫好就行了，這也是單片機的一大優(yōu)點。電子計數器法的原理是，某一信號在一定時間 T 內重復變化了 N次，而它的頻率 f 就是 N除以 T。 利用單片機 的定時 /計數測頻，就是讓單片機按照一定的程序，自己完成操作，當然，這其中會存在一定的誤差。 用單片機 測頻的時候，把 T0 用作定時器， T1 用作計數器，定時是已知的，定時是10ms， 所需要知道的就是這 10ms 內計數器計的個數。單片機對送入的脈沖進行計數，這一定 會產生 誤差 的， 因為主門的開啟時刻與計數 脈沖之間的時間是沒有關系的， 單片機有可能會多計一個脈沖，也有可能少計一個，這是不能確定的 。書上稱這種誤差為 量化誤差 。 測量電路 最終 輸出的是高低電平矩形波，那么單片機在計數時，誤差最大 時 不超過一個周期， 可以盡量縮小誤差，如果 所測矩形波的頻率越大，那么這種誤差就會越小。相對的，低頻的時候，這種誤差就會很大，那這種時候就不能用測頻的方法了，但可以改為測周期，因為周期和頻率互為倒數。這就涉及到了 一個量，那就是中界頻率。中界頻率的定義為，當對某一個信號使用測頻法和測周法時，兩者引起的誤差相等，小于中界頻率時，采用測周法，再把周期轉換為頻率 ；大于中界頻率時，直接測頻。此設計中，不考慮小于中界頻率的， 因為所測頻率都比較大， 所以用的是直接測頻 法 。 單片機的定時器本質上是一個計數器，對時鐘的十二分之一分頻的每一跳加一來到達計時的目的，所以它的 精度主要就取決于晶振精度了。在這個設計中， 這里 所用的晶振是 12MHz 的 ，雖然 指 令的執(zhí)行 速度提高了，但是功耗和噪聲卻增加了，也加大了測量的誤差。 測量時，因為定時 /計數方式選擇的是方式 1，所以計數的范圍為： 1~65536，定時范圍為： 1~65ms。如果所測波的頻率太大， 計數的值就會超過 65536，就超出了測量范圍，所以測量電阻的電路所能測的電阻范圍為： 1~300 千歐姆，電容的范圍為： 1~250nF。 這個測量電路所測量的頻率是有范圍的，必須小于 300KHz，當大于這個數時，液晶顯示亂碼。 這些都是 經過驗證得到的， 而且每次測的時候，數據就有可能不一樣， 這是因為穩(wěn)定度不大， 但是 數據 相差不大。 （ 1） 電阻測試數據如表 51 所示。 計算頻率 公式為： f=1/(*(R1+2*R)*C1) 其中 R1=10 千歐姆， C1=1nF。 調調 試試 與與 仿仿 真真 17 表 51電阻測試數據 電阻原值 （ R） 頻率原值 （ f） 測得電阻值 (Rx) 測得頻率值 (fx) 1k 5k 10k 20k 50k 100k 200k (2) 電容測試數據如 52所示。 計算頻率公式為： f=1/(*(R2+R3)*C) 其中 R2=10 千歐姆， R3=10 千歐姆。 電容原值 頻率原值 所測電容值 所測頻率值 1nF 5nF 8nF 10nF 表 52電容測試數據 從上面這些表格可以看出，測量時的誤差其實挺大的， 除了 上面提到的那幾個造成誤差的原因外，其實，誤差產生的最主要的原因還是所用的測量電路。測量電阻和電容時，電路是由 555 芯片和外接的電阻電容組成的。 555 是根據電源的精度和外圍阻容元件的精度來決定輸出頻率精度的，如果 外圍精度很高并且溫度變化不大，那么 555 的精度是足夠的，但是以目前的情況來看，電阻值和電容值都有 10%以上 的偏差，這就直接導致了測量電路的精確性不是很好，所以就造成了現在上面這種狀況。其實 555 定時器還有一個很大的缺點，那就是不能產生頻率很低的信號，所以 的測量范圍比較小，這和 555本身的內部結構有關。 還有一點就是，測量電路必須要保證起振，并且振蕩電路要穩(wěn)定，否則也會增加誤差，這也是把元件參數轉換成頻率后測量的方法的一個不足之處。因為現在是仿真圖，所以沒有誤差修正，而且實際中的電阻或電容的值肯定跟仿真時不一樣。如果要是做硬件，那么可以進行誤差的修正，根據實際電路中的電阻或電容，多測一些數據，并求這些數據的平均 誤差，再把這個誤差加到程序中，那么再測數據，誤差就會小很多，這樣就做了誤差的修 正。調調 試試 與與 仿仿 真真 18 0..00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003. 圖 55系統(tǒng)的總設計圖 此圖為本系統(tǒng)的總設計圖。主體由 AT89C51 構成， LCD1602 顯示器 將負責顯示測量的電阻和電壓值。 測量電阻和電壓的部分由兩個 555 芯片構成，需要測量的時候將撥片撥至相應的電路上，按下測量按鈕，這時測量的電阻和電壓值會在 LCD1602 上顯示 出數值。然后按下復位按鈕，顯示屏上的數據清除，等待下一次測量。 調調 試試 與與 仿仿 真真 19 電阻仿真圖： 圖 56電阻仿真圖 此圖為載入將要測量的電阻值后仿真得出的結果圖。 把 51 單片機和測量電阻的 555模塊相連，先按一下復位按鈕，再按測量按鈕，等待兩秒以后，顯示屏 就會顯示出這次測量的電阻值。調調 試試 與與 仿仿 真真 20 電容仿真圖： 圖 57電容仿真圖 此圖為載入將要測量的 電容 值后仿真得出的結果圖。 把 51 單片機和測量電容的 555模塊相連，先按一下復位按鈕，再按測量按鈕，等待兩秒以后，顯示屏就會顯示出這次測量的電容值。 結結 論論 21 6 結 論 在設計制作本系統(tǒng) 的過程中，我深切體會到，實踐是理論運用的最好檢驗。本次設計是對我三年所學知識的一次綜合性檢測和考驗，無論是動手能力還是理論知識運用能力都得到了提高，同時加深了我對網絡資源認識，大大提高了查閱資料的效率，使我有充足的時間投入到電路設計當中。本系統(tǒng)的研制主要應用到了模擬電子技術、數字電子技術、單片機控制技術、電子工藝等多方面的知識，本系統(tǒng)達預期的要求， 能夠對電氣元件 R、 C 進行簡易的測量，誤差保持在 5%以內。在調試方面，經過一系列模塊化的調試，使系統(tǒng)到達了正常工作條件 。 當然由于時間的緊迫，在測試階段，對儀器的 調試還略