数字式RLC测量仪的设计毕业设计

数字式R、L、C测量仪的设计

任浩伟

（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业,20011级1班，陕西汉中

723003）

指导教师：梁芳

[摘要]本设计以AT89C52单片机为核心，利用555多谐振荡原理，设计并制作了一个电阻、电感、电容测试仪。把模拟量转换成频率用单片机测量频率，易测量，且便于使仪表实现自动化，测量精度也高。单片机构成的应用系统有较大的可靠性。在电阻、电容、电感测试系统中，用LED来显示测量结果，既简单又显而易见。该设计不仅能够快速、自动测量，而且能够在LED上显示结果。经测试，该系统性能稳定，测量精度高，符合设计要求。

[关键词]AT89C52；555定时器；频率计

Design of Digital Resistance, Inductance,

Capacitance Tester

Ren Haowei

(Grade 11,Class 1,Major electronics and information engineering,School of physics and electrical engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)

Tutor: Liang Fang

[Abstract] This design takes the AT89C52 microcontroller as the core, uses the 555 multi - harmonic oscillation principle, designs and makes a resistance, inductance, the capacitance tester. The analog quantity is converted into the frequency of the frequency measurement, easy to measure, and easy to make the instrument automatic, and the measurement accuracy is also high. The application system of the monolithic integrated circuit has the big reliability. In the resistance, capacitance and inductance of the test system, LED is used to display the results, which is simple and obvious.. The design can not only be quick and automatic, but also can display the results on LED.. After testing, the system performance is stable, the measurement accuracy is high, and it accords with the design requirement.

[Key words] 555 Timers;AT89C52;Frequency meter

目录

引言 (1)

1任务分析与方案确定 (2)

任务分析 (2)

方案论证 (2)

方案一 (2)

方案二 (3)

方案确定 (4)

2系统硬件设计 (5)

电阻测量部分 (5)

原理分析 (5)

具体电路 (7)

电容测量部分 (9)

原理分析 (9)

具体电路 (9)

电感测量部分 (10)

原理分析 (10)

具体电路 (11)

通道选择部分 (13)

显示部分 (13)

单片机控制部分 (15)

3系统软件设计 (18)

总体流程图 (18)

测频模块 (19)

4系统安装与测试 (21)

系统安装 (21)

测试与分析 (22)

5结论 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录A英语科技文献原文及其翻译稿 (26)

附录B电路总图 (35)

附录C元器件清单 (36)

附录D源程序 (37)

引言

随着电子技术的发展，电子元器件急剧增加。在应用中我们常常要测定电阻、电容、电感的大小。另外，随着测量技术的飞速发展，测量仪器的已趋向于小型化和智能数字化。而且采用微控制器技术构成的电子系统比传统测量方式有无法比拟的优越性。目前教学实验中普遍采用的数字式万用表对于阻抗的测量却无能为力。因此设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。

本课题要求采用最新的技术设计并制作出快速,准确,自动检测系统并数字显示的RLC测试仪。

测试RLC的方法比较多, 例如传统的阻抗法、Q表、电桥平衡法等。这些都不够智能，而且体积笨重，价格昂贵，测试操作过程中需要调节很多参数，对初学者来说很不方便。所以要综合考虑选择合理的方案,这里我们根据任务书的要求结合当前国内外在仪器仪表测试方面的发展状况，采用555多谐震荡原理将电阻、电容、电感的值转换成频率进行测量，这样就将模拟信号转换成了数字信号便于进行据处理和计算。其次,要求快速准确和自动检测,这就要求采用MCU来实现,这里我们采用最常见的STC89C52单片机，利用单片机处理信号和控制，简单快速而且性能稳定不容易出错。最后采用廉价的7段数码管显示测量值并且采用发光二极管显示元件类型和单位。

确定好方案后就要进行具体电路的设计。硬件方面首先利用Proteus软件进行分步仿真，一步步验证并找出存在的问题进行分析解决。然后进行总体仿真，仿真没有问题后就做实物。软件方面利用Keil工具采用我们熟悉的C语言编写单片机程序，调试、编译后生成HEX文件烧进单片机，然后在和Proteus级联进行调试。如果出现问题就逐个模块检查，找出问题在解决问题，最后完成任务。制作过程中遇到了很多问题，仿真后硬件并不像我想的那样理所当然的可以直接工作，但是经过我不断的努力最后终于找出了问题的原因。并且想到了解决的办法，最后终于成功的完成了作品。

对于这次毕业设计，我很认真的做好每一步，但是由于能力有限错误在所难免，希望老师同学提出批评。

1任务分析与方案确定

任务分析

本设计要求采用最新的技术设计并制作出快速、准确、自动测量系统并数字显示的RLC 测试仪。 指标要求：

（1）测量范围：电阻：1Ω---10M Ω，误差1% （2）电感：10uH----10mH,误差1% （3）电容：100PF----10000PF,误差1% （4）用四位数码管显示各参数值。

（5）用发光二极管显示所测元件类型及单位。

从任务书中可以看出，此次设计要求首先要快速准确自动测量。其次测量范围广、精度要高，所以要找出合理的方案进行论证。

目前，测量电阻、电容、电感的方法多种多样。例如电阻可用串联分压法、直流电桥法、比例运算器法和积分运算器法。电容可用电桥法、恒流法和比较法。电感可用震荡电路、时间常数法和同步分离法等。由于这些测量方法差别都比较大，能同时测量三种参数的方法却很少。所以本次主要选择两种比较全面的方法进行论证，最后选择出比较合适的方法进行设计。 方案论证 方案一

电桥法是根据比较原理所提出的一种测量电参数的方法，最简单的电桥如图所示，四个支路是电桥的四个臂[1]

。

图 电桥原理

假如上图4个参数固定，若满足3221Z Z Z Z ?=?则中间电表G 的读数为零。利用这个原理，当等式两边四个量中的一个为未知量的时候，如果调节其余三个量的值能使等式成立，也就是让中间电表读数为零，那么就能计算出所求的未知量。这也就是我们平常所说的“平衡电桥”的概念。

电桥有直流电桥和交流电桥之分，对于电阻我们采用直流电桥但是对于电感和电容这些电抗元件就必须使用交流电桥。

直流电桥就是其电源采用直流，是我们最常见的。如一开始就接触到的惠斯通电桥。原理就不

再熬述。

电桥的平衡条件为： 3241R R R R ?=? 则被测电组： 241R R R R x ?=

交流电桥就是电源采用交流。交流电桥的线路虽然和直流单臂电桥线路具有同样的结构形式，但因为它的四个臂是阻抗，所以它的平衡条件、线路的组成以及实现平衡的调整过程都比直流电桥复杂。

平衡条件为：

12()()12n x j j n x Z Z e Z Z e ?????+?+??=??

通过调节阻抗1Z 、2Z 使电桥平衡。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解。 方案二

很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思想，我们把电子元件的集中参数R 、L 、C 转换成频率信号f,然后测量频率就能算出所求参数。

本方案从555出发，电阻电容采用RC 积分电路和555构成多谐振荡器，电感部分采用电感的充放电原理也同样利用555最后产生方波信号。这样就把模拟的电参数转化成了单片机可以识别的频率信号，再用单片机测量频率。然后再进行分析和计算，就可以得出被测量。

系统构成框图如下：

图 方案二系统框图

该系统以51单片机为核心，可分为五个模块：控制模块、测量模块、选通模块、显示模块[2]。

（1）控制模块：采用89C52，扫描键盘值，制选择测量类型和量程切换。

（2）测量模块：又分为三个小模块，分别是电阻测量模块，电容测量模块和电感测量模块。电阻测量模块和电容测量模块以RC振荡电路和555组成，电感测量模块由电感充放电和555构成。该整体模块的功能是将电参数转换成频率。

（3）通道选择模块：采用CD4052芯片，其实质是一个多路选择器。选择送入单片机的频率信号。

（4）显示模块：采用6个七段数码管显示优点是操作容易价格低廉。

（5）按键控制模块:其实就是三个键盘,选择当前将测试那一个。

方案确定

方案1采用电桥法虽然精度高，但是调节电桥平衡一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。而且电路复杂，实现起来较为困难，不易实现自动测量。

方案2把模拟量转换成频率用单片机测量频率，一方面容易测量，另一方面便于使仪表实现自动化，测量精度也高，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展性强、配置灵活。且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。

所以，综合以上分析，本次设计采用方案2进行设计。

2系统硬件设计

电阻测量部分

原理分析

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件[3]，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器。以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面,其内部结构如图所示。

图定时器内部结构

它由分压器、比较器、基本RS触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。分压器为比较器A1、A2提供参考电压，比较器A1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器A2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放A1、A2组成。高电平触发信号加在A1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基R端的输入信号。低电平触发信号加在A2的同相输入端，与反相输入端的参考电压本RS触发器

D

S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器A1、A2比较后，其结果作为基本RS触发器

D

的输出端控制。

由555定时器组成的多谐振荡器如图所示，其中R1、Rx和电容C1为外接元件。其工作波如图所示。

R

4

DC

7

Q 3G N D

1

V C C

8

TR 2

TH

6

CV

5

U1:A

555

R1

RX

C2

C1

VCC

Vo

图 波形图

设电容的初始电压C U ＝0，t ＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端TH V ＝

TL V ＝0<1/3Vcc 比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即D R =1， D S =0，RS 触发器置1，

定时器输出C U =1此时Q =0，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc 经R1，x R 向电容C 充电，C U 逐渐升高。当C U 上升到1/3Vcc 时，A2输出由0翻转为1，这时D R =D S =1，RS 触发顺保持状态不变。所以0

t=t1时刻，C U 上升到2/3Vcc ，比较器A1的输出由1变为0，这时D R =0， D S =1，RS 触发器复0，定时器输出C U =0。

t

时比较器A1输出由0变为1，RS 触发器的D R =D S =1，Q 的状态不变，C U 的状态仍为低电平。 t=t2时刻，C U 下降到1/3Vcc ，比较器A2输出由1变为0，RS 触发器的D R =1， D S =0，触发器处于1，定时器输出C U =1。此时电源再次向电容C 放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出C U =1，电容放电时，C U =0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能[4]

。

电容C1的充电所需的时间，即脉冲维持时间：2ln )(111C Rx R t += 放电所用时间，即脉冲低电平时间：2ln 12RxC t =

输出信号的占空比为：x

x R R R R t t q 211

21

++==

所以脉冲周期时间为：)2(2ln 1121Rx R C t t T +?=+=

输出脉冲频率为：)2(2ln 1

11x R R C f +?=

被测电阻为：)2ln 1

(

2111

R C f R x -?= 所以只要已知R1、C1和震荡电路的频率就能求出R 的值。 具体电路

具体电图以及参数如图：

图 电阻测量电路

电路中使用定时器为NE555，为了提高测量精度，基准电阻R1选择精度为%的精密电阻，电容C3、C4选择高精度的聚苯乙烯电容，由于电阻的测量范围较广，定时器输出的波形的占空比变化范围较大，为了防止占空比过大或过小，单片机难以捕捉到波形的边沿变化，设计中在定时器输出端接上一个D 触发器将输出信号2分频同时将信号整形为50%占空比的方波。整形前后波形如图所示。

图 整形前后仿真波形

由于单片机的晶振频率为12M 所以单片机能识别的频率信号上限为500kHz ，而在10Hz 到150kHz 的范围内反应最灵敏，精度最高，所以设计中参数要合理让频率落在10Hz 到150kHz 的范围内。因此设电阻测量分为两档。图中两个双联开关控制量程选择，当按下开关SW11时单片机选择小量程，当按下开关SW12时单片机选择大量程。 （1）小量程：

电容C1选择5uF ， R1=1k ， 此时

)10001052ln 1(216-??=

-f R x )

21000(1052ln 1

6x R f +??=- 当Rx=0Ω时，f =； 当Rx=5k Ω时，f =；

满足单片机的频率要求，所以小量程的测量范围为：0Ω-5k Ω （2）大量程

电容C1选择1nF ， R1=1k ， 此时

)10001012ln 1(219-??=

-f R x )

21000(1012ln 19x R f +??=- 当Rx=5k Ω时，f =； 当Rx=10M Ω时，f =721Hz ；

满足单片机的频率要求，所以大量程的测量范围为：5k Ω-1M Ω

电容测量部分 原理分析

电容测量原理和电阻的相同在次就不再重复论述[5]

。 由于已在电阻原理部分推导出输出脉冲频率为：

)2(2ln 1

21R R Cx f +?=

所以待测电感为：

)

2(2ln 1

21R R f Cx +?=

所以只要已知R1、R2、和频率就能计算出电容的值。 具体电路

由于设计要求测量得电容容值在100pF 到10000pF 之间，容值较小，要由RC 振荡产生较低频率的信号就必须将电阻的参数选很大，但一般大电阻都难以保证很高的精度。本设计中定时器选用TLC555作为定时器，相对NE555,TLC555具有更高的速度，和温度特性，能工作在更高的频率下产生稳定的输出信号。同电容测量一样，为了在电阻测量范围内保证震荡频率落在10Hz 到150kHz 的范围内，设计中分为两档，通过按键选择量程切换。电路具体参数如图所示。

（1）小量程：

选择R1=R2=510k Ω， 此时 )

101.52101.5(2ln 1

5

5??+??=

Cx f )

101.52101.5(2ln 1

55??+??=f Cx

当Cx =100pF 时 f = 当Cx =1000pF 时 f =949Hz

满足单片机对频率要求，所以小量程的测量范围为：100pF-1000pF （2）大量程

选择R1=R2=10k Ω， 此时 )

1012101(2ln 1

44??+??=

Cx f

)

1012101(2ln 1

44??+??=f Cx

当Cx =1000pF 时 f = 当Cx =10000pF 时 f =

满足单片机对频率要求，所以小量程的测量范围为：1000pF-10000pF 电感测量理部分 原理分析

[6]

用555定时器和被测电感构成多谐振荡器，通过频率值来确定被测电感。R1、Lx 、D1为电路的定时元件。3脚输出为TTL 电平频率随L1而变化的方波信号。通电后，Lx 中的电流不能突变，R1和Lx 中的流从无到有，Lx 中的磁通也随之变化，从而产生变化的电动势。2、6脚电压V(2、6)=VCC ，3脚的电压为低电平，555内部放电管导通。7脚与地联通，为低电平，是L1、R1回路电流按指数规律上升。R 上压降VR ↑→V （2、6）↓。当V(2、6)=1/3VCC 时，电路翻转。3脚输出高电平，7脚与地断开，电感L1的反电动势按指数规律减小，VR 也随之减小，V （2、6）开始上升，当V(2、6)=2/3VCC 时，电路再次翻转。3脚出现低电平，7脚又与地接通，Lx 再次充电，重复上述过程。从而实现自振荡。VR 波形及最终输出波形如图所示。电路输出波形高低电平时间分别为：

2ln 3

132ln ττ==VCC VCC

T PL

2ln 3

231ln ττ=--=VCC

VCC VCC VCC T PH ；1

R Lx =τ

所以输出频率为： Lx

R T T T f PL PH 2ln 21

11=+==

即可求出电感量： f

R Lx ?=

2ln 21

图 电感测量波形

具体电路

鉴于题目要求测量电感的范围，由理论分析可知电路的输出频率很高，必须对输出信号做分频，单片机才能处理。设计中，同电容测量模块采用高速定时器TLC555，由于电感测量时输出频率最高能达到超出单片机识别范围，所以采用计数器74LS160对信号做10分频，不仅满足测量要求还扩大了测量的范围。电路中放电二极管采用高速肖特基二极管1N4148以提高电路的阶跃响应。，所以必须采用分频电路具体参数如图所示。10分频后波形如图所示[7]

。

FL

R

4

DC

7

Q 3G N D

1

V C C

8

TR 2

TH

6

CV

5

U3:A

555

+5v

C31

0.1uf

R31

50

D31

DIODE

LX

D0

3

Q0

14

D14Q113D25Q212D36Q311RCO 15ENP 7ENT 10CLK 2LOAD 9MR 1U3:B

74LS160

图 电感测量具体电路

图 分频前后仿真波形

电感测量时电阻R1选择50Ω

因为f R Lx ?=

2ln 21

所以Lx

R f 2ln 21=

当Lx=10uH 时 f =， 十分频后f =360kHZ ； 当Lx=10MH 时 f =， 十分频后f =360Hz ；

满足单片机频率要求，所以电感测量只有一个量程10uH-10MH。

通道选择部分

本设计中将模拟信号转换成频率信号后通过单片机的T0口测量频率值，应为有电阻、电感、电容三个对于频率信号[8]，所以需要对3路信号进行选择，最后只有一路信号送至单片机T0口进行频率测量。在此采用模拟开关8选1的多路模拟开关CD4052做为3路通道作选择。有单片机控制到底选择哪一个信号进行测量。具体电路如图2-11所示。

图通道选择电路

CD4052是差分四通道数字控制模拟开关器件，有A和B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流。当INH输入端=“1”时所有通道截止，二位二进制输入信号选通四对通到中的一通道。当选择了某一通道的频率后，Y输出频率通过T1送入单片机进行计数，通过计算得到要被测值，多路选择开关控制如表所示。

表多路选择开关控制

测量类别

0 0 X0

0 1 X1

1 0 X2

1 1 X3

显示部分

显示部分如下图所示

XTAL2

18

XTAL1

19

ALE 30EA

31

PSEN 29RST

9

P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX 2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.7

8

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD

17

P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U4

AT89C52

23456789

1

RP1

1k

+5v

图 显示部分电路

在电阻、电容、电感测试系统中[9]

，用LED 来显示测量结果，既简单又显而易见。

LED 选用六个七段数数码管，七位数码管以共阴极的方式与单片机连接。单片机P0口接数码管段选端，P2口接位选端。通过给P0、P2口赋值就能控制数码管的显示。由于单片机P0口需要上拉电阻所以选用1K 的排阻。六位数码管显示被测参数的示值从左到右依次代表十万、万、千、百、十和个位，这样显示结果更为简单可行。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

1)静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动，静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一

个单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动使编程简单，显示亮度高。

2)动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms ，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

经过对两种显示方式的比较分析：静态方式需要大量I/O，而动态扫描显示方式能够节省大量的I/O口，且电路结构也比较简单，显示效果良好，因此最终采用动态扫描显示方式。

单片机控制部分

图 52单片机管脚图

上图为单片机管脚图。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

MCS-51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：

1)中央处理器：

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

2)数据存储器(RAM)：

内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM

只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

3)程序存储器(ROM)：

共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

4)定时/计数器(ROM)：

有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

5)并行输入输出(I/O)口：

共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。

6)全双工串行口：

内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

7)中断系统：

具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串口中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

8)时钟电路：

内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序。

本设计中单片机的控制部分电路图如图：

图单片机控制部分电路

接口说明：

P0口：数码管段选