【正文】 很大的差距，我國主要的科研單位、學(xué)校以及企業(yè)等單位中使用的大型的儀器設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口。世界測試緒緒 論論 2 儀器市場仍然對我國有很大的影響。在這樣信息化的推動下，全世界的測試儀器市場將繼續(xù)保持很好的勢頭，電子測量技術(shù)的前景依然會很樂觀。 計算頻率，是 通過 51 單片機(jī)的定時 /計數(shù)器 T0 和 T1 來計算的，把高低電平矩形波送給單片機(jī)， 設(shè)時一定的時間。 總總 體體 方方 案案 設(shè)設(shè) 計計 3 2 總體方案設(shè)計 總體方案的選擇 基于單片機(jī)的 RC 檢測儀，是指以 單片機(jī) 為核心 ， 實現(xiàn)對 電阻 和 電容的值 的測量 。 伏安法又稱為電壓電流法，該方法是利用電壓表和電流表分別測出元件的電壓值和電流值，從而計算出元器件的值?？上攵@樣的測量方法，誤差肯定比較大，而且測量也不方便，受到的限制比較多，但是， 也有它的好處，那就是使用比較簡單。電橋平衡的條件是：一對相對橋臂阻抗的乘積必須等于另一對相對橋臂阻抗的乘積。此種測量方法，精度比較高，使用不同電橋可得到寬頻率范圍，價格低，但需要手動平衡，測試速度比較慢。當(dāng)外加信號源的角頻率等于回路的固有角頻率時， LC 串 聯(lián)或并聯(lián)諧振電路發(fā)生諧振，可以求出電容的值。 測量這些參量的方法有很多很經(jīng)典的方法，這里就不一一介紹了。數(shù)字化測量是將測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 ， 設(shè)計最基本的思路就是 RC的數(shù)字化測量， 可以把它 們轉(zhuǎn)換為電壓、電流及頻率等。 運用的方法就是諧振法。 總體方案的分析 測量電阻和電容， 是 以 555 芯片為核心，外加幾個電阻、電容 組成 RC振蕩電路 ， 利用 電容的充放電過程，使這個電路輸出高低矩形波，利用這一點，使電阻和電容的參數(shù)值 數(shù)字化的。 圖 21系統(tǒng) 框圖 單片機(jī) AT89C51 按鍵 電容 測量 頻率計數(shù)器 量程切換 待測電容 1602LCD 電阻測量 量程切換 待測電阻 硬硬 件件 設(shè)設(shè) 計計 5 3 硬件 設(shè)計 單片機(jī)控制部分 在本設(shè)計中，考慮到單片機(jī)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)。另外，本設(shè)計還需要利用單片機(jī)的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇點偏激為核心設(shè)計具有極大的 必要性。 本 單片機(jī)是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計數(shù)器等功能，集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。 AT89C51 的 40個引腳大致可分為 4 類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。實際應(yīng)用中通常采用外接晶振的內(nèi)部時鐘方式，只要在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 引腳外接晶振即可，電容器 C4 和 C5 的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值一般取 30pF。晶振頻率為 12MHz 時，指令的執(zhí)行速度會提高很多 ，但 是 相應(yīng)的功耗和噪聲也會增加。 圖 31晶振電路 （ 3） 復(fù)位電路 RST：復(fù)位信 號輸入端；當(dāng) RST 引腳加高電平復(fù)位信號時，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操硬硬 件件 設(shè)設(shè) 計計 6 作。復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，就是接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作； 另一種是本設(shè)計采用的按鍵復(fù)位電路。 圖 32復(fù)位電路 此電路的原理是：當(dāng)按鍵被按下，電容被短路， RST是高電平，進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)；松手后，電容充電，充電結(jié)束后，電流為 0，電阻上的電壓為 0， RST 為低電平。 （ 5） ALE：地址鎖存允許。 （ 6） PSEN：外部程序存儲器讀選通信號輸出引腳。 P0 口：如果不需要外部程序 /數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展時， P0 口可以作為普通的 I/O 口使用，這時屬于準(zhǔn)雙向口；當(dāng)需要擴(kuò)展時， P0 口作為分時復(fù)用的低 8 位地址 /數(shù)據(jù)總線使用，這時 它 是一個真正的雙向口。 P1 口：它是一個單功能口，就只能用作通用的 I/O 口使用，沒有其他的特殊功能。 P2 口：當(dāng)不需要外部程序 /數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展時， P2 口也是當(dāng)普通的 I/O 口使用的；需要擴(kuò)展時， P2 口是作為高 8 位地址總線使用的。 P3 口： P3口是一個特殊的 I/O 口，有兩個功能，第一個是作為普通的 I/O口使用，性質(zhì)跟 P0、 P P2類似，都屬于準(zhǔn)雙向口。 硬硬 件件 設(shè)設(shè) 計計 7 ： TXD（串行口輸出）。 ： INT1（外部中斷 1輸入）。 ： T1（定時 /計數(shù)器 1的外部輸入）。 ： RD（片外數(shù)據(jù)存儲器“讀”選通控制輸出）。 圖 33按鍵電路 圖 33 為 本設(shè)計 的按鍵電路圖 。 由于 按鍵 系統(tǒng) 有三 個測試電路，而只有一個口可以接入，所以測哪個就接哪個 。由于彈性作用的影響，按鍵不能馬上實現(xiàn)完全閉合或者是完全斷開，使電信號產(chǎn)生抖動，從而會引起按鍵執(zhí)行錯誤或者是重復(fù) 執(zhí)行指令，所以為了確保按鍵的一次閉合只處理一次，就必須消除抖動。 按鍵的一端接單片機(jī)的 I/O 口上，另一端接地，而且必須接地。 顯示部分 這次設(shè)計中，選用的是 LCD1602 顯示器 。 因為 AT89C51的 P1 口、 P2口和 P3 口都是帶內(nèi)部上拉電阻的 I/O 口，所以如果液晶與三個 I/O 口中任一個相連，就可以不用接上拉電阻。 硬硬 件件 設(shè)設(shè) 計計 8 圖 34液晶顯示電路 因為 AT89C51 的 P1口、 P2 口和 P3 口 都是帶內(nèi)部上拉電阻的 I/O 口，所以如果液晶與三個 I/O 口中任一個相連，就可以不用接上拉電阻，但是 P0 口卻沒有帶內(nèi)部上拉電阻， LCD1602 液晶顯示器是字符型液晶顯示模塊，可以顯示字母、數(shù)字、符號等 。 它的顯示緩沖區(qū)有 80 個單元，但是第一行只用 00H~0FH 單元，第 、 二行只用 40H~4FH 單元 。 芯片工作電壓： ~。 模塊最佳工作電壓： 。 采用的是標(biāo)準(zhǔn)的 14腳（無背光）接口，各引腳功能如下： Vss：地電源。 VEE： 液晶顯示器對比度調(diào)整端。 RS：寄存器選擇。 R/W：讀寫信號線。當(dāng) RS=0 且 R/W=0時，寫入指令或者是顯示地址 ；當(dāng) RS=1 且 R/W=0 時，寫數(shù)據(jù)；當(dāng) RS=1 且 R/W=1 時，讀數(shù)據(jù) 。當(dāng) E=1變?yōu)?E=0時，液晶模塊執(zhí)行命令。 LCD1602 模塊使用 前 ，要先進(jìn)行初始化 ，初始化的內(nèi)容就是你希望它能怎樣的去工作。所以此次初始化的內(nèi)容是： （ 1） 清屏：光標(biāo)回到屏幕左上角，數(shù)據(jù)為 0x01。 （ 3） 顯示與不顯示設(shè)置：開顯示，有光標(biāo)，而且光標(biāo)閃爍，數(shù)據(jù) 為 0x0f。 （ 5） 光標(biāo)或屏幕內(nèi)容移位選擇：移光標(biāo)，向左移，數(shù)據(jù) 為 0x10。對于電阻和電容， 利用 555 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再根據(jù)電容 的充放電原理，使電路輸出矩形波。 555 定時器介紹 圖 35 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 35 所示， 因為 555 將 模擬功能和邏輯功能結(jié)合在一起 .所以能夠產(chǎn)生精確的延遲和 振 但， 555 讓模擬 集成電路運用的范圍更廣。 555 定時器性能比較好，只要 少 接上幾個電阻、電容 就能構(gòu)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(chǎn)生與變換電路，經(jīng)常用于儀器儀表、電子測量等方面。（ C1為比較器 1， C2 為比較器 2） 。 一般為 ~15V。 R（ 4 腳）： 復(fù)位端。 這個端在不用的時候，應(yīng)該接高電平。當(dāng)此引腳的電壓 大于 2/3Vcc 的時候， 觸發(fā)器復(fù)位，那么輸出端處于 “0” 電平。當(dāng)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。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。 DC（ 7 腳）：放電端。 Q 或者 V0（ 3腳）：輸出端 。若測電阻，此腳與 X0相連；若測電容，此腳與 X1 相連 。由于 此時的三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，電容 C1就通過 Rx 開始放電，當(dāng) 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(zhuǎn)，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。 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。 通上電后，電容 Cx 通過 R2和 D1 開始充電，當(dāng)電容 Cx上的電壓達(dá)到 2/3Vcc 時，比較器 1開始動作， RS 觸發(fā)器被翻轉(zhuǎn)，此時，輸出端輸出為低電平。 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(shè)設(shè) 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)。 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(zhuǎn)換測量電阻程序，得出結(jié)果，刷新顯示，測量電容轉(zhuǎn)換為測量電容程序得出結(jié)果，刷新顯示。 定時 /計數(shù)部分 如圖 43所示， 圖 43定時 /計數(shù)流程圖 如圖 43 開始運行程序定時和計數(shù)，系統(tǒng) T0、 T1 開始初始化運行 T0 定時器運行，T1 計數(shù)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(shù)，T0、 T1開始 初始化 運行 T0定時 器運行 ， T1計數(shù) 開始運行 檢測 T0是否溢出 系統(tǒng) 開中斷 T1停止計數(shù) 取出 T1的計數(shù)值 并發(fā)送到計算機(jī) 計算機(jī) 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(shù)程序 軟軟 件件 設(shè)設(shè) 計計 15 然后系統(tǒng)取出 T1 的數(shù)值，發(fā)送到計算機(jī)中，計算機(jī)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。定時 /計數(shù)器的核心是一個加1 計數(shù)器，基本的功能是計數(shù)加 1。對單片機(jī)內(nèi)部的機(jī)器周期進(jìn)行計數(shù)，從而得到定時，這就是定時功能。 對于這部分， T0 作為定時器， T1 用作計數(shù)器。 知 道定時的時間了，那么 單片機(jī)對來自 T1 上的跳變脈沖進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)定時時間到，也就是定時溢出，就申請中斷，并停止 T1 的計數(shù)功能，從而得到 T1 的計數(shù)個數(shù) N，那么頻率 f=N/t。電子計數(shù)器法的原理是，某一信號在一定時間 T 內(nèi)重復(fù)變化了 N次，而它的頻率 f 就是 N除以 T。 用單片機(jī) 測頻的時候，把 T0 用作定時器， T1 用作計數(shù)器，定時是已知的，定時是10ms， 所需要知道的就是這 10ms 內(nèi)計數(shù)器計的個數(shù)。書上稱這種誤差為 量化誤差 。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(shù)。中界頻率的定義為，當(dāng)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(zhuǎn)換為頻率 ；大于中界頻率時，直接測頻。 單片機(jī)的定時器本質(zhì)上是一個計數(shù)器，對時鐘的十二分之一分頻的每一跳加一來到達(dá)計時的目的，所以它的 精度主要就取決于晶振精度了。 測量時，因為定時 /計數(shù)方式選擇的是方式 1，所以計數(shù)的范圍為： 1~65536，定時范圍為： 1~65ms。 這個測量電路所測量的頻率是有范圍的，必須小于 300KHz，當(dāng)大于這個數(shù)時，液晶顯示亂碼。 （ 1） 電阻測試數(shù)據(jù)如表 51 所示。 調(diào)調(diào) 試試 與與 仿仿 真真 17 表 51電阻測試數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)如 52所示。 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(shù)據(jù) 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(chǎn)生的最主要的原因還是所用的測量電路。 555 是根據(jù)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(dǎo)致了測量電路的精確性不是很好，所以就造成了現(xiàn)在上面這種狀況。 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(shù)轉(zhuǎn)換成頻率后測量