本科畢業(yè)論文-基于單片機的電阻、電容、電感測試儀(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 OM)： 有兩個 16 位的可編程定時 /計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。 5)并行輸入輸出 (I/O)口： 共有 4 組 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于對外部數據的傳輸。 6)全雙工串行口： 內置一個全雙工串行通信口，用于與其它 設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 7)中斷系統(tǒng)： 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時 /計數器中斷和一個串 口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 8)時鐘電路 ： 內置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈 沖 時序。 本設計中單片機的設計電路如下圖 31 所示： 圖 31 單片機的設計電路 本 電路使用 單片機內部振蕩器， 的晶 體諧振器 直接 接在單片機的時鐘 端口 X1 和 X2，電路中 C C3 為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工作可靠 。另外本系統(tǒng)的容阻上電復位，就是利用 RC 電路的充電過程來給單片機復位。 RC 電路的時間常數 計算公式 ： T=RC (31) 即 ： T=RC=10u*10k=100ms。當需要復位時 ，也可以按下復位按鍵，進行復位。 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 9 LED 數碼管電路 與鍵盤電路的設計 在電阻、電容、電感測試系統(tǒng)中，用 LED 燈來顯示測量參數的類別和電源指示，既簡單又顯而易見。 與小白熾燈泡和氖燈相比， LED 的特點是：工作電壓很低 (有的僅一點幾伏 )；工作電流很小 (有的僅零點幾毫安即可發(fā)光 )；抗沖擊和抗震性能好，可 靠性高，壽命長；通過調制通過的電流強弱可以方便地調制發(fā)光的強弱 。 由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設備中 常常 用作光源 。在本設計中， 利用單片機的 、 和 口直接和 發(fā)光二極管 相連接，控 制程序放在 MCS51 單片機的 ROM 中。由于 測試指示 燈為發(fā)光二極管且陽極通過限流電阻與電源正極相接，所以為共陽極。因此 I/0 口輸出低電平時，與之相連的相應指示燈會亮； I/0 口輸出高電平時，相應的指示燈會滅。 發(fā)光二極管 的 接口 電路 如圖 32 所示： 圖 32 發(fā)光二極管 的 接口 電路 發(fā)光二極管 的設計中，每個二極管與單片機接口間有一個電阻 ，其阻值至少為 180 歐。 按 15mA 來計算，需要讓與之串聯的電阻，分去 VCC 5V 電壓中的 ，則得到 R=U/I=， 且電阻的功率為 P=UI=*=。 另外，在本設計中， LED 應用于七位數碼管中， 實現 了 被測參數的顯示 ，七位數碼管 以 共陰 極的方式 經過 74LS573 鎖存器 與單片機的 P0 口相連。 六位數碼管顯示 被測參數 的示值從左到右依次代表十萬、萬、千、百、十和個位 ，這樣顯示結果 更為簡單可行。 數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數 字， 因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 1)靜態(tài)顯示驅動： 靜態(tài)驅動也稱直流驅動 ， 靜態(tài)驅動是指每個數碼管的 每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅動，或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動 使 編程簡單，顯示亮度高 。 2)動態(tài)顯示驅動： 數碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM端電路的控制，所以我們 只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管 的 COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 經過對兩種顯示方式的比較分析：靜態(tài)方式需要大量 I/O，而動態(tài)掃描顯示方 式能夠節(jié)省大量的 I/O 口，且電路結構也比較簡單，顯示效果良好，因此最終 采用動態(tài)掃描顯示方式。 系統(tǒng)核心電路 (AT89S52 最小系統(tǒng) )的 P0 口以總線方式與 二 片數據鎖存器(74HC573)相連接， 二 片 74HC573 的片選使能端 (LE)分別連接在或非門(74HC02)的 4 管腳，三個或非門相類似，都是兩個輸入端的其中一端接在單片機的 16 管腳 (WR)，而另一端分別接在 ~。 單片機片選 電路如圖33 所示。 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 11 圖 33 單片機 片選電路 或非門片選電路分析：當單片機通過 P0 口總線輸出數據時， 16 管腳 (WR)為低電平“ 0”，片選信號端 ~ 中，要被片選端為“ 0”，其它為“ 1”，這樣三個或非門中，只有需要片選中或非門的輸出為高電平“ 1”，其它兩個或非門的輸出信號為低電平“ 0”。另外， 74HC573 數據鎖存器的 LE 使能端為高電平有效，與之前電路結合可以實現片選功能。 在本設計中， LED 顯示接口電路 如下圖 34 所示： 圖 34 LED 顯示接口 電路 電路由 6 個共陰極數碼管、兩個 74HC573 和一個 ULN2803 組成。 兩個 74HC573 分別作為段碼和位碼的數據鎖存器，它們的片選信號來自最小系統(tǒng) AT89S52 的 和 ，由此可以計算出它們的片選地址：段碼片選地址為 [C000H~DFFFH]，位碼片選地址為 [A000H~BFFFH]。 ULN2803 是達林頓 管 ，在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出 的 作用 。由于電路使用的是共陰極動態(tài)顯示方式， ULN2803 在位碼數據鎖存器后連接八個數碼管的 COM 端，可以增強驅動數碼管的能力，使數碼管的顯示效果更好。 本設計中設置了 Sr,Sc,SL 三個按鍵， 利用單片機的 、 和 口直接和 按鍵 相連接，控制程序放在 MCS51 單片機的 ROM 中 用于 啟動各個 被測 參數 程序的 調整。 見圖 35 按鍵電路所示 圖 35 按鍵電路 控制 R、 L、 C的三 個按鍵接入一個 10K大小的上拉電阻，起限流保護作用。當 有鍵按下時為低電平，無鍵按下時則為高電平。 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 13 測量電阻 、 電容電路的設計 555 定時器簡介 555 定時器是一種模擬電路和數字電路相結合的中規(guī)模集成器件，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，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成 555 定時被廣泛應用于脈沖波形的產生與變換、測量與控制等方面。 1)555 定時器內部結構 555 定時器是一種模擬電路和數字電路相結合的中規(guī)模集成電路 ,其內部結構如圖 36(A)部分 及管腳排列如圖 (B)部分 所示。 圖 36 定時器內部結構 它由分壓器、比較器、基本 RS 觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個 5KΩ 的等值電阻串聯而成。分壓器為比較器 A A2提供參考電壓，比較器 A1的參考電壓為 ，加在同相輸入端，比較器 A2的參考電壓為 ，加在反相輸入端。比較器由兩個結構相同的集成運放 A A2組成。高電平觸發(fā)信號加在 A1 的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS 觸發(fā)器 端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在 A2 的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本 RS 觸發(fā)器 端的輸入信號。基本RS 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器 A A2的輸出端控制。 2)多諧振蕩器工作原理 由 555 定時器組成的多諧振蕩器如圖 37(C)部分 所示，其中 R R2 和電容 C 為外接元件。其工作波如圖 (D)部分 所示。 圖 37 震蕩器工作原理 設電容的初始電壓 Uc＝ 0， t＝ 0 時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端 VTH＝ VTL＝ 0 ，比較器 A1 輸出為高電平， A2 輸出為低電平，即 =1， =0(1 表示高電位， 0 表示低電位 )， RS 觸發(fā)器置 1，定時器輸出 u0=1 此時 ，定時器內部放電三極管截止，電源 Vcc 經 R1， R2 向電容 C充電， uc逐漸升高。當 uc上升到 時， A2輸出由 0 翻轉為 1，這時 = =1，RS 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以 0tt1期間，定時器輸出 u0為高電平 1。 時刻， uc上升到 ，比較器 A1的輸出由 1 變?yōu)?0，這時 =0， =1，RS 觸發(fā)器復 0，定時器輸出 u0=0。 期間， ，放電三極管 T 導通，電容 C 通過 R2放電。 uc按指數規(guī)律下降 ,當 時比較器 A1輸出由 0 變?yōu)?1， RS 觸發(fā)器的 = =1，Q 的狀態(tài)不變， u0的狀態(tài)仍為低電平。 時刻， uc下降到 ，比較器 A2輸出由 1 變?yōu)?0， RS 觸發(fā)器的 =1，=0，觸發(fā)器處于 1，定時器輸出 u0=1。此時電源再次向電容 C 放電，重復上述過程。 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 15 通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出 u0=1，電容放電時， u0=0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降?電能。 3)振蕩周期 由圖 (D)可知，振蕩周期 T=T1+T2。 T1 為電容充電時間， T2 為電容放電時間。 充電時間 ： (32) 放電時間 ： (33) 矩形波的振蕩周期 ： (34) 因此改變 R R2和電容 C 的值，便可改變矩形波的周期和頻率。 對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數：占空比 q， q=(脈寬 tw)/(周期 T)， tw指輸出一個周期內高電平所占的時間。圖（ C）所示 電路輸出矩形波的占空比 ： (35) 測量電阻電路的設計 定時器 555 是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量 R、 C 元件，就可以構成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。 電阻的 測量采用“脈沖計數法”，由 555 電路構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。 555 接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： (36) 得出： (37) 即 ： (38) 電路分為 2 檔： 100? Rx1000 Ω： 按下電阻測試建 Sr，閉合開關 Srd,R2=330Ω,C2=： (39) 1000? Rx 1M Ω： 按下電阻測試建 Sr，閉合開關 Srg,R1=20KΩ,C3=103pF： (310) 電阻 測試電路見圖 38 所示 。 圖 38 電阻 測試電路 測 量電容電路的設計 電 容 的 測量同樣采用“脈沖計數法”，由 555 電路構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。 555 接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： (311) 我們設置 R1=R2, 得出 ： 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設計 17 (312) 即： (313) 電路分為 1 檔： R4=510KΩ,R4=R6； (314) 電容測試電路見圖 39 所示 。 圖 39 電容 測試電路 測量電感電路的設計 及仿真 測量電感電路的設計 電感 的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現的。 電容 三點式振蕩 電路 又稱考畢茲 振蕩 電路 ， 三點式 振蕩 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的，另外一個電抗元件必須為異性質的，而與發(fā)射級相連的兩個電抗元件同為電容式的三點式 振蕩 電路， 也就 是 射同基反 的構成原則 成為電容三點式 振蕩 電路。 其振蕩頻率為：