電感、電容、電阻參數(shù)測(cè)試儀便捷化、小型化的研制

李林倬 車(chē)蔚俊 納尊

【摘 要】本設(shè)計(jì)是以MCS-51單片機(jī)為核心，使用對(duì)應(yīng)的振蕩電路轉(zhuǎn)化為頻率實(shí)現(xiàn)電阻，電容，電感三個(gè)參數(shù)的測(cè)量。其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的，而電感則是根據(jù)電容三點(diǎn)式產(chǎn)生的，將振蕩頻率送入AT89C52的計(jì)數(shù)端，通過(guò)定時(shí)并且計(jì)數(shù)可以計(jì)算出被測(cè)頻率，再通過(guò)該頻率計(jì)算出被測(cè)參數(shù)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是以Keil51為仿真平臺(tái)，使用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程編寫(xiě)了系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)，555多諧振蕩電路，LED動(dòng)態(tài)顯示模塊，電容三點(diǎn)式振蕩

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM53【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0400-02

【基金項(xiàng)目】 本文為《大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目》 項(xiàng)目編號(hào)：0205-02010008，指導(dǎo)老師：趙波、郝武幫。

1、設(shè)計(jì)的背景及意義

目前，常見(jiàn)的高精度L、C、R電橋均采用阻抗—矢量電壓測(cè)量L、C、R參數(shù)。通常這些儀器都設(shè)置了高精度差動(dòng)放大器、精密鑒相電路、高性能的濾波器、比較器、積分器、高分辨率的雙斜式A/D等一系列功能電路。因正弦信號(hào)源直接影響測(cè)量精度，所以在正弦電路中均采取了一系列穩(wěn)頻、穩(wěn)幅和降低失真的措施[1]。雖然這類(lèi)儀器的精度較高，但整個(gè)儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)元器件要求高，選配和調(diào)試?yán)щy，生產(chǎn)成本高，體積較大，需220VAC供電等，使其推廣受到限制。

本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的這測(cè)試儀采取阻抗—相角法測(cè)量L、C、R參數(shù)。這測(cè)試儀以MCS—51單片機(jī)[2]為核心，采用過(guò)零鑒相填充計(jì)數(shù)法[3]進(jìn)行測(cè)相，由程序控制定時(shí)實(shí)測(cè)正弦信號(hào)頻率，從而大大降低了儀器對(duì)正弦信號(hào)電路的要求，故不必像阻抗—矢量電壓法儀表那樣對(duì)正弦發(fā)生電路采取專門(mén)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻措施。儀器采用自行設(shè)計(jì)的低成本、高精度測(cè)相電路和正弦發(fā)生電路，并由程序控制定時(shí)實(shí)測(cè)正弦信號(hào)頻率，采用多次測(cè)量中值濾波等，既保證了儀器的精度，又降低了儀器的生產(chǎn)成本，適應(yīng)了普通測(cè)量的需要。

新型R、L、C測(cè)試儀設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)：成本低、體積小、便于攜帶、測(cè)試方便、雙電源模式。

2、系統(tǒng)的原理框圖

本設(shè)計(jì)中，考慮到單片機(jī)具有物美價(jià)廉、功能強(qiáng)、使用方便靈活、可靠性高等特點(diǎn)，擬采用MCS -51系列的單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測(cè)試儀的控制[4]。系統(tǒng)分四大部分：測(cè)量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過(guò)P1.3和P1.4向模擬開(kāi)關(guān)送兩位地址信號(hào)，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測(cè)頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2-1如下所示。

框圖各部分說(shuō)明如下：

1）控制部分：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，采用AT89C52單片機(jī)，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈：本設(shè)計(jì)中，設(shè)置了1盞電源指示燈，采用紅色的LED以共陽(yáng)極方式來(lái)連接，直觀易懂，操作也簡(jiǎn)單。數(shù)碼管顯示：本設(shè)計(jì)中有1個(gè)74HC02、2個(gè)74LS573、1個(gè)2803驅(qū)動(dòng)和6個(gè)數(shù)碼管，采用共陽(yáng)極方式連接構(gòu)成動(dòng)態(tài)顯示部分，降低功耗。鍵盤(pán)：本設(shè)計(jì)中有Sr，Sc，SL三個(gè)按鍵，可靈活控制不同測(cè)量參數(shù)的切換，實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)量。

2）通道選擇：本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)控制CD4052模擬開(kāi)關(guān)來(lái)控制被測(cè)頻率的自動(dòng)選擇。

3）測(cè)量電路：RC震蕩電路是利用555振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電阻和被測(cè)電容頻率化。電容三點(diǎn)式振蕩電路是利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電感參數(shù)頻率化。通過(guò)51單片機(jī)的I/O口自動(dòng)識(shí)別量程切換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。

3、電阻、電容、電感測(cè)試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 MCS—51單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)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)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)。另外，本設(shè)計(jì)還需要利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)具有極大的必要性。在硬件設(shè)計(jì)中，選用MCS-51系列單片機(jī)，其各個(gè)I/O口分別接有按鍵、LED燈、七位數(shù)碼管等，通過(guò)軟件進(jìn)行控制[5]。

MCS-51單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行I/O口、串行口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。

3.2 測(cè)量電阻電路的設(shè)計(jì)

由于555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器[6]。電阻的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電阻的大小。

555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：

參考文獻(xiàn)

[1] 邱關(guān)源主編.電路[M].4版.高等教育出版社，2009

[2] 張毅剛.MCS—51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997

[3] 余孟嘗主編，清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].3版.高等教育出版社，2010

[4] 楊素行主編，清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].3版.高等教育出版社，2006.5

[5] 李廣弟，住越秀，冷租祁.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].3版.北京航空航天大學(xué)出版社，2007.6