【正文】 Ren Haowei (Grade 11,Class 1,Major electronics and information engineering,School of physics and electrical engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)Tutor: Liang Fang [Abstract] This design takes the AT89C52 microcontroller as the core, uses the 555 multi harmonic oscillation principle, designs and makes a resistance, inductance, the capacitance tester. The analog quantity is converted into the frequency of the frequency measurement, easy to measure, and easy to make the instrument automatic, and the measurement accuracy is also high. The application system of the monolithic integrated circuit has the big reliability. In the resistance, capacitance and inductance of the test system, LED is used to display the results, which is simple and obvious.. The design can not only be quick and automatic, but also can display the results on LED.. After testing, the system performance is stable, the measurement accuracy is high, and it accords with the design requirement. [Key words] 555 Timers。該設(shè)計(jì)不僅能夠快速、自動(dòng)測(cè)量，而且能夠在 LED 上顯示結(jié)果。單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)I數(shù)字式 R、L、C 測(cè)量儀的設(shè)計(jì)任浩偉（陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院 電子信息工程專業(yè),20221 級(jí) 1 班，陜西 漢中 723003）指導(dǎo)教師：梁芳[摘要]本設(shè)計(jì)以 AT89C52 單片機(jī)為核心，利用 555 多諧振蕩原理，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)電阻、電感、電容測(cè)試儀。把模擬量轉(zhuǎn)換成頻率用單片機(jī)測(cè)量頻率，易測(cè)量，且便于使儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，測(cè)量精度也高。在電阻、電容、電感測(cè)試系統(tǒng)中，用 LED 來顯示測(cè)量結(jié)果，既簡單又顯而易見。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，符合設(shè)計(jì)要求。AT89C52。在應(yīng)用中我們常常要測(cè)定電阻、電容、電感的大小。而且采用微控制器技術(shù)構(gòu)成的電子系統(tǒng)比傳統(tǒng)測(cè)量方式有無法比擬的優(yōu)越性。因此設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測(cè)試儀具有廣泛的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。測(cè)試 RLC 的方法比較多, 例如傳統(tǒng)的阻抗法、Q 表、電橋平衡法等。所以要綜合考慮選擇合理的方案,這里我們根據(jù)任務(wù)書的要求結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外在儀器儀表測(cè)試方面的發(fā)展?fàn)顩r，采用 555 多諧震蕩原理將電阻、電容、電感的值轉(zhuǎn)換成頻率進(jìn)行測(cè)量，這樣就將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)便于進(jìn)行據(jù)處理和計(jì)算。最后采用廉價(jià)的 7 段數(shù)碼管顯示測(cè)量值并且采用發(fā)光二極管顯示元件類型和單位。硬件方面首先利用 Proteus 軟件進(jìn)行分步仿真，一步步驗(yàn)證并找出存在的問題進(jìn)行分析解決。軟件方面利用 Keil 工具采用我們熟悉的 C 語言編寫單片機(jī)程序，調(diào)試、編譯后生成 HEX 文件燒進(jìn)單片機(jī)，然后在和 Proteus 級(jí)聯(lián)進(jìn)行調(diào)試。制作過程中遇到了很多問題，仿真后硬件并不像我想的那樣理所當(dāng)然的可以直接工作，但是經(jīng)過我不斷的努力最后終于找出了問題的原因。對(duì)于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我很認(rèn)真的做好每一步，但是由于能力有限錯(cuò)誤在所難免，希望老師同學(xué)提出批評(píng)。指標(biāo)要求：（1）測(cè)量范圍：電阻：1Ω10MΩ，誤差 1%（2）電感：10uH10mH,誤差 1%（3）電容：100PF10000PF,誤差 1%（4）用四位數(shù)碼管顯示各參數(shù)值。從任務(wù)書中可以看出，此次設(shè)計(jì)要求首先要快速準(zhǔn)確自動(dòng)測(cè)量。目前，測(cè)量電阻、電容、電感的方法多種多樣。電容可用電橋法、恒流法和比較法。由于這些測(cè)量方法差別都比較大，能同時(shí)測(cè)量三種參數(shù)的方法卻很少。 方案論證 方案一電橋法是根據(jù)比較原理所提出的一種測(cè)量電參數(shù)的方法，最簡單的電橋如圖 所示，四個(gè)支路是電橋的四個(gè)臂 [1]。利用這個(gè)原理，321ZZ??當(dāng)?shù)仁絻蛇吽膫€(gè)量中的一個(gè)為未知量的時(shí)候，如果調(diào)節(jié)其余三個(gè)量的值能使等式成立，也就是讓中間電表讀數(shù)為零，那么就能計(jì)算出所求的未知量。電橋有直流電橋和交流電橋之分，對(duì)于電阻我們采用直流電橋但是對(duì)于電感和電容這些電抗元件就必須使用交流電橋。如一開始就接觸到的惠斯通電橋。電橋的平衡條件為： 3241R?? 則被測(cè)電組： Rx交流電橋就是電源采用交流。 平衡條件為： 1 2() ()12n xj jnxZeZe?????????通過調(diào)節(jié)阻抗 、 使電橋平衡。用這種測(cè)量方法，參數(shù)的值還可以通過聯(lián)立方程求解?；诖怂枷?，我們把電子元件的集中參數(shù) R、L、C 轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào) f,然后測(cè)量頻率就能算出所求參數(shù)。這樣就把模擬的電參數(shù)轉(zhuǎn)化成了單片機(jī)可以識(shí)別的頻率信號(hào)，再用單片機(jī)測(cè)量頻率。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如下：被測(cè)電阻被測(cè)電容被測(cè)電感555振蕩器555振蕩器555振蕩器通道選擇51單片機(jī)按鍵控制數(shù)碼管顯示 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 4 頁 共 47 頁圖 方案二系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)以 51 單片機(jī)為核心，可分為五個(gè)模塊：控制模塊、測(cè)量模塊、選通模塊、顯示模塊 [2]。（2）測(cè)量模塊：又分為三個(gè)小模塊，分別是電阻測(cè)量模塊，電容測(cè)量模塊和電感測(cè)量模塊。該整體模塊的功能是將電參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率。選擇送入單片機(jī)的頻率信號(hào)。（5）按鍵控制模塊:其實(shí)就是三個(gè)鍵盤,選擇當(dāng)前將測(cè)試那一個(gè)。而且電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較為困難，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、配置靈活。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。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 5 頁 共 47 頁2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電阻測(cè)量部分 原理分析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 [3]，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。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(cè)量與控制等方面,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。VodVc Rd39。分壓器由三個(gè) 5kΩ 的等值電阻串聯(lián)而成。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放AA2 組成。低電平觸發(fā)信號(hào)加在 A2 的同相輸入端，與反相輸入端的參考DR電壓比較后，其結(jié)果作為基本 RS 觸發(fā)器 端的輸入信號(hào)。由 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖 所示，其中 RRx 和電容 C1 為外接元件。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 6 頁 共 47 頁R4 DC7Q3GND1VC8TR2 TH 6CV5U1:A55R1RXC2 C1VCVo圖 555 多諧振蕩器工作原理圖圖 波形圖設(shè)電容的初始電壓 ＝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CU＝ ＝01/3Vcc 比較器 A1 輸出為高電平，A2 輸出為低電平，即 =1， =0，RS 觸發(fā)器THVL DRS置 1，定時(shí)器輸出 =1 此時(shí) =0，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源 Vcc 經(jīng) R1， 向電容 C 充Qx電， 逐漸升高。所以 0tt1 期間，定時(shí)器輸出 為高電平 1。Ctt1t2 期間， =1，放電三極管 T 導(dǎo)通，電容 C 通過 放電。t=t2 時(shí)刻， 下降到 1/3Vcc，比較器 A2 輸出由 1 變?yōu)?0，RS 觸發(fā)器的 =1， =0，觸CU DRDS發(fā)器處于 1，定時(shí)器輸出 =1。通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出 =1，電容放電時(shí)， =0，電容不斷地進(jìn)行UC充、放電，輸出端便獲得矩形波。電容 C1 的充電所需的時(shí)間，即脈沖維持時(shí)間： 2ln)(11Rxt??放電所用時(shí)間，即脈沖低電平時(shí)間： 2ln2xCt輸出信號(hào)的占空比為： xRtq12??所以脈沖周期時(shí)間為： )(l1T?輸出脈沖頻率為： )(ln1xf被測(cè)電阻為： 2(1CfRx??所以只要已知 RC1 和震蕩電路的頻率就能求出 R 的值。整形前后波形如圖 所示。因此設(shè)電阻測(cè)量分為兩檔。（1）小量程：電容 C1 選擇 5uF， R1=1k， 此時(shí) )1052ln(16???fRx )210(52ln6xRf ????當(dāng) Rx=0 時(shí)， =；?f當(dāng) Rx=5k 時(shí)， =；滿足單片機(jī)的頻率要求，所以小量程的測(cè)量范圍為：0 5k ?（2）大量程電容 C1 選擇 1nF， R1=1k， 此時(shí) )102ln(19???fRx )210(2ln9xRf ????當(dāng) Rx=5k 時(shí)， =；?當(dāng) Rx=10M 時(shí)， =721Hz；f 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 9 頁 共 47 頁滿足單片機(jī)的頻率要求，所以大量程的測(cè)量范圍為：5k 1M? 電容測(cè)量部分 原理分析電容測(cè)量原理和電阻的相同在次就不再重復(fù)論述 [5]。 具體電路由于設(shè)計(jì)要求測(cè)量得電容容值在 100pF 到 10000pF 之間，容值較小，要由 RC 振蕩產(chǎn)生較低頻率的信號(hào)就必須將電阻的參數(shù)選很大，但一般大電阻都難以保證很高的精度。同電容測(cè)量一樣，為了在電阻測(cè)量范圍內(nèi)保證震蕩頻率落在 10Hz 到 150kHz 的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)中分為兩檔，通過按鍵選擇量程切換。FCsch sclR4 DC7Q3GND1VC8TR2 TH6CV5U255CXC21R2110kR2310k+5VR2510kR24510kSW2SWDPSTSW21SWDPST 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 10 頁 共 47 頁 電容測(cè)量電路（1）小量程：選擇 R1=R2=510k ，?此時(shí) )(2ln????Cxf ..f當(dāng) =100pF 時(shí) =當(dāng) =1000pF 時(shí) =949Hz滿足單片機(jī)對(duì)頻率要求，所以小量程的測(cè)量范圍為：100pF1000pF（2）大量程選擇 R1=R2=10k ，?此時(shí) )1021(2ln44????Cxff當(dāng) =1000pF 時(shí) = 當(dāng) =10000pF 時(shí) =滿足單片機(jī)對(duì)頻率要求，所以小量程的測(cè)量范圍為：1000pF10000pF 電感測(cè)量理部分 原理分析電感測(cè)量原理圖如圖 所示 [6]R4 DC 7Q3GND1VC8TR2 TH 6CV5U355VC C1R1D31DIODELXVo 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 11 頁 共 47 頁圖 電感測(cè)量原理圖用 555 定時(shí)器和被測(cè)電感構(gòu)成多諧振蕩器，通過頻率值來確定被測(cè)電感。3 腳輸出為 TTL 電平頻率隨 L1 而變化的方波信號(hào)。6 腳電壓 V(6)=VCC，3 腳的電壓為低電平，555 內(nèi)部放電管導(dǎo)通。R 上壓降 VR↑→V（6）↓。3 腳輸出高電平，7 腳與地?cái)嚅_，電感 L1 的反電動(dòng)勢(shì)按指數(shù)規(guī)律減小，VR 也隨之減小，V（6）開始上升，當(dāng)V(6)=2/3VCC 時(shí)，電路再次翻轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)自振蕩。電路輸出波形高低電平時(shí)間分別為： 2ln312ln???VCTPL；l2l??PH 1RLx所以輸出頻率為： TfPLH2ln11??即可求出電感量： fRx?l21圖 電感測(cè)量波形 具體電路鑒于題目要求測(cè)量電感的范圍，由理論分析可知電路的輸出頻率很高，必須對(duì)輸出信號(hào)做分頻，單片機(jī)才能處理。電路中放電二極管采用高速肖特基二極管 1N4148 以提高電路的階躍響應(yīng)。10 分頻后波形如圖 所示 [7]。 通道選擇部分本設(shè)計(jì)中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)后通過單片機(jī)的 T0 口測(cè)量頻率值，應(yīng)為有電阻、電感、電容三個(gè)對(duì)于頻率信號(hào) [8]，所以需要對(duì) 3 路信號(hào)進(jìn)行選擇，最后只有一路信號(hào)送至單片機(jī) T0 口進(jìn)行頻率測(cè)量。有單片機(jī)控制到底選擇哪一個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。圖 通道選擇電路CD4052 是差分四通道數(shù)字控制模擬開關(guān)器件，有 A 和 B 兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和 INH 輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止電流。當(dāng)選擇了某一通道的頻率后，Y 輸出頻率通過 T1 送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過計(jì)算得到要被測(cè)值，多路選擇開關(guān)控制如表 所示。LED 選用六個(gè)七段數(shù)數(shù)碼管，七位數(shù)碼管以共陰極的方式與單片機(jī)連接。通過給 P0、P2 口賦值就能控制數(shù)碼管的顯示。六位數(shù)碼管顯示被測(cè)參數(shù)的示值從左到右依次代表十萬、萬、千、百、十和個(gè)位，這樣顯示結(jié)果更為簡單可行。  1)靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)，靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/