【正文】 芯片的工作原理 [1] 555 的等效功能框圖中包含兩個 COMS 電壓比較器 A 和 B，一個 RS 觸發(fā)器，一個反相器，一個 P 溝道 MOS場效應(yīng)管構(gòu)成的放電開關(guān) SW，三個阻值相等的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，以及輸出緩 沖級。當(dāng)上比較器 A 的同相輸入端 R高于反相輸入端電位 2/3Vcc 時， A 輸出為高電平， RS 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出端 Vo 為邏輯“ 0”電平。即當(dāng) VS≤ 1/3Vcc 時， Vo 為 “ 1”電平，處于置位狀態(tài)。在 RS觸發(fā)器內(nèi)，還設(shè)置了一個強(qiáng)制復(fù)位端 MR ，即不管閾值端 R 和置位觸發(fā)端 S 處于何種電平，只要使 MR =“ 0”，則 RS觸發(fā)器的輸出必為“ 1”，從而使輸出 Vo為“ 0”電平。表 3 為 74161 的功能表： 表 3 74161 的功能表 清零 RD 預(yù)置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 A B C D 輸出 QA QB QC QD L L L L L H L 上升沿 A B C D A B C D H H L 保 持 H H L 保 持 H H H H 上升沿 計 數(shù) 其中 RD是異步清零端， LD是預(yù)置數(shù)控制端， A、 B、 C、 D 是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，EP 和 ET 是計數(shù)使能端， RCO(=)是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計數(shù)器的級聯(lián)提供了方便。 RD 變?yōu)?1 后，加入一置數(shù)信號 LD＝ 0，即信號需要維持到下一個時鐘脈沖的正跳變到來后。接著 EP=ET=1,在此期間 74161 一直處于計數(shù)狀態(tài)。 AT89S52 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 本設(shè)計是以 AT89S52 單片機(jī)為控制核心的， AT89S52 單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。 該單片機(jī)中有一個 8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和 控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還簡易 R、 L、 C 測量儀 10 可以進(jìn)行位變量的處理。 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)。 /計數(shù)器 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器， 具有四 種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行 I/O口，甚至與多個單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 共有 21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。 由上可見， AT89S52 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。 1位機(jī)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(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長處。在本設(shè)計里，單片機(jī)的最主要的一個作用就是完成頻率的計數(shù)。由 于頻率 f是單片機(jī)很容易處理的數(shù)字量，單片機(jī)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。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 器是 當(dāng)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。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。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(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。本設(shè)計中，使用的是固體繼電器。固體繼電器 的輸入電路（單片機(jī)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。在觸發(fā)信號信號控制下，其輸出電路實(shí)現(xiàn)固體繼電器的通斷切換。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(biāo)準(zhǔn)的 16腳接口，其中；第 1 腳：VSS 為地電源。 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 5 腳： RW為讀寫信號線，高電平進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 15～ 16 腳：空腳。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。此時，放電管飽和 導(dǎo)通， C 上的電荷經(jīng) BR 至放電管放電。以上過程重復(fù)出現(xiàn)，形成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩。（ 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)。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。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? ? ? 。 在電路中之所以選用可調(diào)電位器是因?yàn)槔^電器的內(nèi)阻并不清楚，在進(jìn)行測量之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)。在以后的測量過程中，便可直接測量電阻。 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。 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(diǎn)式振蕩電路 在本設(shè)計中， 電感的測量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的 ，如圖 14所示 。 在這個電容三點(diǎn)式振蕩電路中， C4 C5 分別采用1000pF、 2200pF 的獨(dú)石電容，其電容值遠(yuǎn) 大于晶體管極間電容，可以把極間電容忽略。 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(jìn)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(jìn)位，第二片 74161 計數(shù)一次，當(dāng) QaQbQcQd=1101 也即當(dāng)?shù)诙K芯片計數(shù)到 4 次，產(chǎn)生一次進(jìn)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(jī)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。開始工作的時候，初始化系統(tǒng)， LCD 顯示 ” WELCOME” 。對系統(tǒng)初始化之后，判斷是否有按鍵按下。如果量程不夠大，系統(tǒng)將量程自動轉(zhuǎn)換為大量程，進(jìn)行測量。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(jìn)行軟件切換量程，直接測量，基本可以完成設(shè)計指標(biāo)中電感 100 181。 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(jìn)行或多或少的軟件補(bǔ)償。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。 計算機(jī)， 編程器， STC下載器， PROTEL99SE，數(shù)字萬用表，示波器，頻率器，直流穩(wěn)壓電源等。 STC 下載器：將編譯中的程序下載到單片機(jī)中。 數(shù)字萬用表：用來測量標(biāo)準(zhǔn)電阻，電容，電感的標(biāo)準(zhǔn)值，這樣用設(shè)計的儀器測量的實(shí)際值有一個比較，可以計算出其誤差。 頻率器：測量振蕩電路產(chǎn)生的頻率，對單片機(jī)所計的頻率有一定了解。 首先，連接好硬件電路，將直流電源接入電路，檢查無誤后，在 編程器中編寫本設(shè)計的程序，編譯無誤后，通過 STC 下載器到單片機(jī)中，選擇合適的電阻，電容及電感，其次，將標(biāo)準(zhǔn)值的電阻插入接插件上，復(fù)位單片機(jī)后，按下電阻開關(guān)，在 LCD 上觀察測量值，記錄下來。 簡易 R、 L、 C 測量儀 23 指標(biāo)測試及誤差分析 電阻的測量 電阻的一組測量數(shù)據(jù)如下表 4 所示： 表 4 電阻測量結(jié)果記錄與分析 電阻標(biāo)值 萬用表讀數(shù) 本儀表讀數(shù) 相對誤差﹪ 430Ω 429Ω 417Ω KΩ KΩ KΩ 47 KΩ KΩ KΩ 100KΩ KΩ 96 KΩ 220 KΩ 217 KΩ 213 KΩ 1MΩ MΩ MΩ 誤差分析： 相對誤差計算公式 100%RRR? ?萬 儀萬 從上面的一組數(shù)據(jù)上來看，在測量低于 1 KΩ 阻值和接近 1MΩ 阻值的電阻時，相對 誤差會大一些。 電容的測量 電容的一組測量數(shù)據(jù)如下表 5 所示： 表 5 電容測量結(jié)果記錄與分析 電容標(biāo)值 萬用表讀數(shù) 本儀表讀數(shù) 相對誤差 % 33uF 100uf 680uF 621Uf 585uf 30Pf 31pF 29pF 簡易 R、 L、 C 測量儀 24 誤差分析： 相對誤差計算公式 100%RRR? ?萬 儀萬 從上面的數(shù)據(jù)可以看出，電容的標(biāo)稱值與用萬用表測出的容值有較大的誤差，其可能性原因：一是萬用表本身存在著一定誤差，二是元件本身也存在一定誤差。 注意：由于建立 RC 穩(wěn)定振蕩的時間較長，在測量電阻和電容時，應(yīng)在顯示穩(wěn)定后再讀出數(shù)值。在發(fā)揮部分中，運(yùn)用了更加先進(jìn) LCD顯示，使顯示更加簡潔明朗，使用起來更加方便，在測量電容模塊中，使用了繼電器實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換，使測量變得相當(dāng)簡單。但是這種把元件參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率后測量的方法也有一些不足之處： ，并且振 蕩要穩(wěn)定，否則會增加誤差，尤其在電感測量上，還存在一些缺陷。 ，由于設(shè)計到高頻振蕩，電路的穩(wěn)定性有待提高。 R. 測量模塊轉(zhuǎn)換上，沒有實(shí)現(xiàn)利用繼電器自動轉(zhuǎn)換，而是通過人工轉(zhuǎn)換，每切換一次，需要將每一個模塊都分別與 口相連一次，相對比較繁瑣。 簡易 R、 L、 C 測量儀 26 參考文獻(xiàn) [1]黃智偉 .全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計 [M], 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2020 年 . [2]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會 .第一屆（ 1994 年）～第六屆（ 1999 年）全國學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 [M], 北京 : 北京理工大學(xué)出版社， 2020 年 . [3]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會 . 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編（ 2020） [M], 北京：北京理工大學(xué)出版社， 2020 年 . [4]李念強(qiáng)，劉亞，經(jīng)亞枝 .一種新型 RLC 數(shù)字電橋的研究 [J], 南京：南京航空航天大學(xué)學(xué)報 ， 2020 ， ： 2527. [5]余錫豐 曹國華 單片機(jī)原理及接口技術(shù) [M], 西安：西安電子科技大學(xué)出版社 , . [6]湯元信 .電子工藝及電子工程設(shè)計 [M], 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1999 年 . [7]美 .Michael John Sebastian Smith 著 .專用集成電路 [M], 北京：北京電子工業(yè)出版社， . [8]高吉祥，黃智偉，丁文霞 .數(shù)字電子技術(shù) [M], 北京：北京電子工業(yè)出版社， 2020年 . [9]高吉祥 .模擬電子技術(shù) [M], 北京：北京電子 工業(yè)出版社， 2020 年 . [10]田良 .綜合電子設(shè)計與實(shí)踐 [M], 南京：南京東南大學(xué)出版社， 2020 年 . [11]Robert u Vision2 DLL’s for Advanced Generic Simulator Interface[M].Jun 12,Munich,Germany. 簡易 R、 L、 C 測量儀 27 致謝 歷時三個月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)告一段落。在這段時間里， XX老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工 作作風(fēng)令我十分欽佩，他的指導(dǎo)使我受益非淺。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的許多同學(xué)給予我很大幫助，在此對 XX 老師和實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)老師以及實(shí)驗(yàn)室同學(xué)表示深深的感謝。雖然在這次設(shè)計中對于知識的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。這三個月的設(shè)計是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高