電阻電容電感rlc測量儀

第六屆電子設計大賽決賽設計與總結(jié)報告目錄摘要 3.關鍵詞 4.TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1 引言 4.\o"CurrentDocument"2 方案設計 4.\o"CurrentDocument"2.1設計思路 4.\o"CurrentDocument"2.2方案的論證與比較 5.\o"CurrentDocument"2.2.1電阻測量電路的選擇 5.\o"CurrentDocument"2.2.3 電感測量電路的選擇 7.\o"CurrentDocument"2.2.4 多路選擇開關電路 7.\o"CurrentDocument"2.2.5 控制部分 8.\o"CurrentDocument"3 系統(tǒng)設計 8.\o"CurrentDocument"3.1總體設計 8.\o"CurrentDocument"3.2系統(tǒng)硬件電路設計 9.\o"CurrentDocument"3.2.1 測Rx的振蕩電路 9.\o"CurrentDocument"測Cx的振蕩電路 10Lx的電容三點式振蕩電路 .10\o"CurrentDocument"3.2.4通道選擇和控制模塊 .1\o"CurrentDocument"4 系統(tǒng)測試 1.2\o"CurrentDocument"4.1硬件測試 1.2\o"CurrentDocument"電感的測量 1.3\o"CurrentDocument"5． 總結(jié) 1.4\o"CurrentDocument"參考文獻 1.5電阻、電容、電感測量儀的設計摘要本設計以89S52單片機控制為核心，利用LM555定時器組成RC多諧振蕩電路測量電阻、電感和電容的三點式振蕩電路測量電感以及利用單片機CPU的高速強大的計算及可編程功能,采用軟件查詢的方法在程序開始時分別對各個信號通道進行查詢通過檢測到的不同情況來區(qū)分實現(xiàn)具有電阻、電容、電容自動辨識、自動切換以及相應器件量程的自動切換等特色，高精度智能化的測量，并對測量結(jié)果進行顯示。關鍵詞單片機LM555多諧振蕩電路電容的三點式振蕩電路CD405274LS1971引言測量電阻、電容、電感的方法各有不同,在過去電容的測量系統(tǒng)中,幾乎都是根據(jù)普的電路原理,用一些常規(guī)的方法來測量的,它們各有其優(yōu)缺點,比如把它作為阻抗的虛部來測量的,還有充電法,比例法等等,一般都存在計算復雜、精度不高、不易實現(xiàn)自動測量而且很難實現(xiàn)智能化。而本文要介紹的電阻、電容測量和前面的測量電路不同,采用“脈沖計數(shù)法”,電感測量采用電容的三點式振蕩電路，它們克服了以上的一些缺點,充分利用了單片機CPU的高速強大的計算及可編程功能,實現(xiàn)了電阻、電容、電容測量的精度和部分智能化等特點,而且操作方便。方案設計設計思路本設計中把R、L、C轉(zhuǎn)換成頻率信號f,轉(zhuǎn)換的原理分別是RC振蕩電路和LC電容三點式振蕩電路，單片機根據(jù)所選通道，向模擬開關送兩路地址信號，取得振蕩頻率，作為單片機的時鐘源,通過計數(shù)則可以計算出被測頻率,再通過該頻率計算出各個參數(shù)。然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)處理后，把R、L、C的值送數(shù)碼管顯示相應的參數(shù)值,利用編程實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換。因此，本系統(tǒng)包括控制器部分、測量部分（RC震蕩電路、電容的三點式振蕩電路、分頻電路）、通道選擇部分。如下圖1所示：圖1系統(tǒng)框圖不管電阻、電容、電感中哪一個器件接入兩引腳端，都會產(chǎn)生一定的頻率f,即元件集中參數(shù)R、L、C轉(zhuǎn)換成頻率信號f,然后用單片機計數(shù)后在運算求出R、L、C的值，并送顯示，轉(zhuǎn)換的原理分別是RC振蕩和LC三點式振蕩。其實，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量進擬地轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于使儀表實現(xiàn)智能化，另一方面也避免了由指針讀數(shù)引起的誤差。方案的論證與比較2.2.1電阻測量電路的選擇方案一：電阻R的測試方法最多。最基本的就是根據(jù)R的定義式來測量。分別用電流表和電壓表測出通過電阻的電流和通過電阻的電壓，根據(jù)公式RU/1求得電阻。這種方法要測出兩個模擬量，不易實現(xiàn)自動化。而指針式萬用表歐姆檔是把被測電阻與電流一一對應，由此就可以讀出被測電阻的阻值，這種測量方法的精度變化大，若需要較高的精度，必須要較多的量程，電路復雜。方案二：RC振蕩電路法。LM555和電阻、電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定高低電平和放電開關管的通斷。圖中，LM555和Ra、Rb、C

構(gòu)成多諧振蕩器，引腳2和6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過Ra、Rb向C充電，以及C通過Rb放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在（1/3）VCC與（2/3）VCC之間充放電。本次競賽的目的是讓我們自己做個能進行相關器件的測量儀器，是探求儀表內(nèi)部黑匣子的電路原理，故第一種組成多諧振蕩電路輸出的頻率很穩(wěn)定，因此方案二是可行的，我們選擇方案二方案肯定是不行的，而用LM555定時器。2.2.2電容測量電路的選擇方案一：電橋法。測量電器元件L、C的最典型的方法是電橋法（如圖1）。電阻用直流電橋，現(xiàn)在測量電容要用交流電橋。77777圖2交流電橋1n 2xZ-Z-ej-(91+9n) -ej +化)1n 2x7 7通過調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可以求出被測參數(shù)。用這種測量方法，參數(shù)的值還可以通過聯(lián)立方程求解，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋的平衡判別亦難用簡單電路實現(xiàn)。這樣，電橋法不易實現(xiàn)自動測量。方案二：應用RC振蕩電路法。此方法和測量電阻的電路是一樣的，在測量中可以分兩個量程：第一量程的電阻取值是R1=10K時;則 f=1/ln2(R1+2R2)CxCx=1／ln2(R1+2R2)f第二量程電阻取值是R1=510K,公式是一樣。2.2.3電感測量電路的選擇方案一：電容的三點式振蕩電路。電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的,如圖所示。三點式電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的,而與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點式電路成為電容三點式電路。在這個電容三點式振蕩電路中，C1、C2分別采用1000pF、2200pF的獨石電容，其電容值遠大于晶體管極間電容，可以把極間電容忽略。振蕩公式：f- 122LC，其中 C=C1*C2/(C1+C2)則電感的感抗為在測量電感的時候，發(fā)現(xiàn)電感起振頻率非常的高，大致到達3MHz左右，而單片機的最大計數(shù)頻率大約為500KHz,在頻率方面達不到測量電感頻率，于是我們把測電感的電容三點式電路得出的頻率經(jīng)過74LS197對該頻率進行二分頻滿足單片機計數(shù)要求。2.2.4多路選擇開關電路方案一：選用CD4052四選一模擬開關芯片隨著社會的發(fā)展，單片機的應用更加深入,而且89S52單片機有32個引腳可作為I/O端口使用，操作更加靈活，對許多芯片控制很方便。由于對三種元件測量中各電路只有一個輸出端，共有三路輸出，而每次只有一路經(jīng)通道選擇讀入單片機進行處理。將芯片的第9和10引腳接單片機的P1.3和P1.4口，第13引腳輸入頻率X或丫通道和P3.5相接。因此，我們可以選擇CD4052四選一模擬開關芯片，只是這種電路非常簡單、實用。方案二：選用CD4051。CD4051是八選一模擬開關，它與CD4052是同一類型的芯片，可以選擇是因為在作為頻道選擇的同時，還能對起始階段為了便于測量而預置的端口整合到起呈重要作用?？梢詫⑿酒腁、B、C接單片機的P1.3、P1.4、P1.5口，其他的原理一樣。2.2.5控制部分方案一：采用AT89S52作為中央處理器，該MCU最大的特點就是性價比非常高，而且很適合做控制。內(nèi)部具有2個外部中斷、3個定時/計數(shù)中斷和1個串口中斷。而且I/O口多，能很好的滿足該系統(tǒng)的要求。AT89S52還有8K的ROM，256個字節(jié)的RAM,而且具有很高的可擴展性。最高工作頻率為12MHZ,最高計數(shù)頻率為500HZ,這個數(shù)字已經(jīng)可以測量一定范圍的器件值域。方案二：單片機式凌陽的16位SPCE061A。由于該CPU具有豐富的I/O口和豐富的時基信號，為我們提供了極大的方便，其中可以利用I/O口置高低電平來實現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換，由于單片機SPCE061A的定時器可以通過外部時鐘源來計數(shù)，我們便可以將555電路或電容三點式振蕩電路產(chǎn)生的頻率作為SPCE061A的定時器的時鐘源，這樣就很容易得到被測R/C/L對應產(chǎn)生的頻率。而且SPCE061A具有語音處理功能，能在顯示的基礎上還可以加入語音播報，使得整個測量過程更加智能化。從性能和智能化以及測量范圍較廣等方面，選用方案二較好，特別是它的語音處理功能。但是基于實際生活接觸的多是8051系列，但是此控制器已經(jīng)可以完成相應的功能，以及從性價比考慮，我們選擇了方案一。系統(tǒng)設計3.1總體設計測量電容、電阻采用LM555定時器組成的RC多諧振蕩電路，以及電容的三點式振蕩

電路測量電感。經(jīng)三路電路輸出經(jīng)過CD4052多通道選擇開關，由單片機定時掃描，當有器件接入時，會有一個通道被讀入單片機內(nèi)處理，判斷是否要進行量程切換，并將結(jié)果用數(shù)碼管顯示出來。特別在測量電感時，一般單片機只能計幾百KHZ的頻率,，因此，在測量電感時，需要分頻器分頻后送入單片機計數(shù)，提高了單片機的時鐘頻率，可提高測量的精度。系統(tǒng)硬件電路設計3.2.1測Rx的振蕩電路其原理圖如下所示：僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過Ra、Rb向C充電，以及C通過Rb放電，使電路產(chǎn)生振蕩。由該電路的振蕩周期為：T=t+1=(In2)(R+R)C+(In2)RC=(In2)(R+2R)C12xxx其中1為輸出高電平的時間，2為輸出低電平的時間。則：1R+2R二一x(In2)Cf為了使振蕩頻率保持在10?100KHZ這一段單片機計數(shù)的高精度范圍內(nèi)，需選擇合適的C和

fc_ 1r的值。取R二2°gC二1000pF，得到(ln2)C(R+2R)X3.2.2測Cx的振蕩電路3.2.3Lx的電容三點式振蕩電路

圖5電容三點式振蕩電路及分頻電路在這個電路中，C1、C2分別采用1000PF和2200PF的獨石電容，其電容值遠大于晶體管的極間電容，振蕩公式：可以把極間電容忽略。f- 1*LC，其中 C=C1*C2/(C1+C2)則電感的感抗為L= -—4兀2f2C3.2.4通道選擇和控制模塊其原理圖如圖所示：圖6通道選擇電路及控制模塊CD4052是一個雙4選一的多路模擬選擇開關，其使用真值表如表1所示表1應用時可以通過單片機對A/B的控制來選擇輸入哪一路，例如：需要從4路輸入中選擇第一路輸入，假設使用的是丫組，那么單片機只需要分別給A和B送0和0即可選中該路，然后進行相應的處理。注意第6腳為使能腳，只有為0時，才會有通道被選中輸出。系統(tǒng)測試4.1硬件測試電阻標值萬用表讀數(shù)本儀表讀數(shù)相對誤差％470Q478Q0810Q810Q872Q7.6%2KQ1.97KQ2.08KQ0.6%1.8KQ1,782KQ1.785KQ0.2%20KQ20.02KQ19.88KQ0.67%100KQ99KQ97.35KQ1.6%510KQ520535.412.96%R-R———x100%R相對誤差計算公式 萬從上面的一組數(shù)據(jù)上來看，在測量低于1KQ阻值和接近1MQ阻值的電阻時，相對誤差會大一些。造成這個現(xiàn)象的主要原因是在設計中采用的CD4052（四路模擬開關）的內(nèi)阻

較大，經(jīng)測量其內(nèi)阻達到了180Q左右，這樣在測量電阻值小的電阻時，它的內(nèi)阻就不能忽略，造成測量誤差的增大。因為 RA+2Rx=1/Cfln2所以 2Rx=/f/Cf*fln2-/C/C*CIn2于是 /Rx/(RA/2+Rx)=/f/f+/C/C誤差分析：相對誤差計算公式誤差分析：相對誤差計算公式R-R-萬——儀x100%R萬因此，頻率的變化誤差和電容的變化率同樣也影響電阻的測量值。電容標值萬用表讀數(shù)本儀表讀數(shù)相對誤差％6836840.1%而且/Cx/Cx=/f/f+/R1/R1+/R2/R2而且從上面的數(shù)據(jù)可以看出，電容的標稱值與用萬用表測出的容值有較大誤差，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。受所用儀器，元期間的限制，測量精度并沒有做的很高。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，應在顯示穩(wěn)定后再讀出數(shù)值。4.2.3電感的測量電感的一組測量數(shù)據(jù)如下表4.2.3所示：表4.2.3電感標值本儀表讀數(shù)470uh460uh因為 /L/L=2/f/f+/C/C除了測量中儀器的誤差，電路中相應的元器件本身的差值誤差也會對電感的測量產(chǎn)生影響。5．總結(jié)四天三夜馬上就要結(jié)束了，我們的作品也基本完成的差不多了，雖然離達標的要求有一定的距離，但是我們組成員經(jīng)歷了幾次心理的變化，我們堅持了下來。在我們開始做作品的過程中，遇到了許多的問題，例如，各個元器件的布局不協(xié)調(diào)，經(jīng)常有引腳漏焊等情況發(fā)生，在做好每一個模塊進行測試時，電源的正負極有時插顛倒，甚至將芯片工作在超出它耐壓范圍通路中，造成芯片燒壞。一個特別的問題就是焊接好RC振蕩電路后進行了測量，發(fā)現(xiàn)誤差非常大，于是我們查了資料，得出的結(jié)論是LM555定時器組成的振蕩器是穩(wěn)定的，而且做此作品的其他對同樣有很大的誤差，最終我們做了進行了大量的調(diào)試，用軟件補償?shù)姆椒▉頊p小誤差。其中最難的部分還是如何進行自動辨識元器件，以及量程不夠時可以自動切換量程。在這方面我們的思想是對多選一通道進行時刻掃描，看哪個通道輸入有相當?shù)念l率，就確定了是測量什么器件。切換量程我們用繼電器的工作特性，來判別。開始時繼電器工作在常閉狀態(tài)，當繼電器接單片機I/O端口為高電平時換令一路開關導通?？梢該Q另一量程。在調(diào)試時我們發(fā)現(xiàn)，測量電阻的范圍是500歐姆，最大可達600K歐姆，當測量低值電阻時誤差比較大，在達到10K歐姆，誤差變得很小了。最后要感謝系里給我們提供這樣學習的機會，讓我們在學習理論的同時，提高自己的動手能力。同時感謝系里的幾位指導老師對我們的指導和生活上的關心，讓我們能放心和專心的學習與參賽。參考文獻康華光《電子技術基礎》高等教育出版社張義和王敏男《例說51單片機（C語言版）》人民郵電出版社全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（1999）.北京北京理工大學出版社，2000年附錄附錄1：系統(tǒng)電路圖R1附錄2：程序流程圖制斷掃揑壘-H-T-丁上否匸莒弓ifl：Sfi壞半例疑檢則開定時醤中斷?門乾吒旳關禿逞思創(chuàng)器口浙二開賠滴屮斷標出計亙測呈值定時器中暦一對相時竝道一秒計數(shù)栓測記斟相關罄載井做匕處瑾筲代業(yè)'己錄第一次利哩這檢攔完底設置垢吏標附錄2：程序流程圖制斷掃揑壘-H-T-丁上否匸莒弓ifl：Sfi壞半例疑檢則開定時醤中斷?門乾吒旳關禿逞思創(chuàng)器口浙二開賠滴屮斷標出計亙測呈值定時器中暦一對相時竝道一秒計數(shù)栓測記斟相關罄載井做匕處瑾筲代業(yè)'己錄第一次利哩這檢攔完底設置垢吏標志嘖吊示開嫌造1林：定時器一定吋半秒計弊宜色涼定呵器?淀時▼砂?開足時器中汕］齊始廿薊開世達附錄3：源程序#include<at89x52.h>#include<Intrins.h>#defineSEGP2#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodeseg[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,};//0~~9段碼uchardis[6]={0xFC,//00xFC,//00xFC,//00xFC,//00xFC,//00xFC,//0};//t0定時器相關變量#definecount_m149609//0.05s#defineh_0(65536-count_m1)/256//高8位#definel_0(65536-count_m1)%256//低8位uchartime1;//t0中斷次數(shù)#defineh_2(65536-3000)/256//高8位#definel_2(65536-3000)%256//低8位uchartime2;//t0中斷次數(shù)//相關變量定義區(qū)bitc_flag=1;uintfreq=0;uintfreq1=0;sfr16DPTR=0x82;uchari;〃數(shù)碼管uintzhi;ucharx_flag;ucharxuanze;bitdangwei;uchardian;bitcishu;sbitxuan仁P1A0;sbitxuan2=P1M;sbitkey1=P1A2;sbitkey2=P1A3;sbitkey3=P1A4;sbitdianzhu=PM5;sbitdianrong=P1A6;voidmeasure(void){if(cishu==1)time1=20;elsetime1=10;ET1=1;ET0=1;TMOD=0x51;TH0=h_0;TL0=l_0;//IP=0x04;TH1=0;TL1=0;TR0=1;TR1=1;}voidT0_1s(void)interrupt1{TH0=h_0;TL0=l_0;time1--;if(time1==0){c_flag=1;TR0=0;TR1=0;DPH=TH1;DPL=TL1;if(cishu==0){cishu=1;freq1=DPTR;if(freq1>32768){cishu=0;x_flag=1;}}elseif(cishu==1){cishu=0;freq=DPTR;}//if(xuanze=1&&freq>1175){dangwei=1;dianzhu=1;}//else{dangwei=0;dianzhu=0;}switch(xuanze){case1:if(dangwei==0){if(freq1<27){zhi=(32788500/freq-101)/10;if(zhi<10000)dian=2;elseif(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=3;}}elseif(freq1>26){zhi=(32788500/freq-101);if(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=2;}elseif(zhi<10000)dian=0;}if(dangwei==1){if(freq1<470){zhi=((72134750/freq-503)*899)/10000;//zhi=10000;if(zhi<10000)dian=2;elseif(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=3;}}elseif(freq1>470){zhi=((72134750/freq-503)*899)/1000;if(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=2;}elseif(zhi<10000)dian=0;}}break;case2:if(dangwei==0){if(freq1<155){zhi=(19790055/freq/100);if(zhi<10000)dian=2;elseif(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=3;}}elseif(freq1>154){zhi=(19790055/freq/10);if(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=2;}elseif(zhi<10000)dian=0;}}//310pfif(dangwei==1){if(freq1<27){zhi=((45901845/freq)/10);if(zhi<10000)dian=2;elseif(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=3;}}elseif(freq1>26){zhi=(45901845/freq);if(zhi>9999){zhi=zhi/10;dian=2;}elseif(zhi<10000)dian=0;break;case3:if(dangwei==0)if(freq1<9){zhi=((143922140625/freq)/f