简易电阻电容电感测量仪

重庆三峡学院课程设计实训报告设计题目：简易电阻电容电感测量仪学院（系）：应用技术学院年级专业：08电子信息工程（仪器）学号：200815194110学生姓名：谭情生指导老师：陈强完成时间：2011年11月30日1目录0．引言.............................................................21.系统设计.........................................................21.1设计要求........................................................21.2方案比较........................................................21.2.1电阻测量方案..................................................21.2.2电容测量方案..................................................41.2.3电感测量方案..................................................41.2.4显示方案......................................................61.3方案论证........................................................61.3.1总体思路......................................................61.3.2设计方案......................................................72.单元电路设计.....................................................72.1电阻测量电路....................................................72.2电容测量电路...................................................82.3电感测量电路....................................................92.4液晶显示电路....................................................93.软件设计........................................................103.1程序流程.......................................................104.系统测试........................................................104.1测试仪器与设备.................................................104.2指标测试.......................................................115结论...........................................................126心得体会.........................................................12参考文献：.........................................................12附录1仿真原理图...................................................13附录2PCB原理图..................................................14附录3PCB图.......................................................15附录4部分程序清单................................................1620.引言随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国内外的RLC测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。例如传统的用阻抗法、Q表、电桥平衡法等测试RLC的过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数，对初学者来说很不方便，当今社会，对RLC的测试虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的RLC测试仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能RLC测试仪，人机界面友好、操作方便的智能RLC测试仪，具有十分重要的意义。本系统是用振荡电路把RLC的参数转换成频率，再用单片机计算频率，然后对其值进行补偿后再显示RLC的值，所以用起来非常方便而且价格便宜、精确度高，测量误差保持在%5以内。1.系统设计1.1设计要求基本要求a.测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。b.测量精度：±5%。c.制作数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。发挥部分a.扩大测量范围。b.提高测量精度。c.测量量程自动转换。1.2方案比较1.2.1电阻测量方案相位测量方案的关键问题是电阻测量方法的选择。方案一：串联分压原理3VRXR0图1串联电路原理图根据串联电路的分压原理可知，串联电路上电压与电阻成正比关系。通过测量Rx和R0上的电压。由公式Rx=Ux/(U0/R0)，如图1所示。方案二：利用直流电桥平衡原理的方案图2平衡电桥图2所示的平衡电桥（其中R1，R2，为可变电位器，R3为已知电阻，R4为被测电阻）根据电路平衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。由R1*R4=R3*R4.在通过测量电位器电阻值，可得到R4的值。方案三：利用555构成单稳态的方案图3555定时器构成单稳态测电阻电路根据555定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻阻值，如图3所示。由f=1/[(R1+2R2)*C*In2]得到公式：R2=1/2*[1/(f*c*Ln2)-R1]Z1Z2GZ3Z44上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比较而言，方案三还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。故本设计选择了方案三。1.2.2电容测量方案方案一：直接通过串联路原理。通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通过测量电压值，再经过公式换算得到电容的值。原理同电阻测量的方案一。方案二：交流电桥平衡原理（原理图同图2）)(2)(121xnjxjneZZeZZ通过调节Z1,Z2使电桥平衡。这时电表的毒水为零。通过读取Z1,Z2，Zn的值，即可得到被测电容的值。方案三：555构成单稳态原理图4555定时器构成单稳态测电容值电路根据555定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电容值，如图4所示。由f=1/[(R1+2R2)*C*In2]得到公式：Cx=1/[c*Ln2(R1+2*R2)]综合以上设计方案的优缺点，本设计采用方案三。1.2.3电感测量方案方案一交流电桥测量（原理同电容测量方案二）5方案二电容三点式构成正弦波原理图5电容三点式电容三点式的原理图如图5所示，根据电容三点式公式LCC*21C2*C1210f从而可得电感的计算公式21C2*C1212CCfL方案三谐振法测量图6谐振法测量用阻抗法测电阻、电容、电感有两种实现方法：用横流源供电，然后测元件电压，如图6所示；用横压供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适6用的测量范围很窄。1.2.4显示方案方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。用如图7所示的液晶显示器作为系统的显示部分，具有硬件设计简单、编程容易、节省系统时间等诸多优点。图71602液晶显示器方案二：采用发光二极管（LED）显示。LED显示器是由发光二极管组成的显示字段的器件。通常的八段LED显示器是由八个发光二极管组成（包括小数点）。由于led只能显示简单的数字与简单的特殊字符，基于本设计题目要求，需要显示的测量量多，而且测量的量程范围大，明显led无法方便明了的显示，所以本设计采用的是lcd1602液晶显示，1602具有低功耗节能的作用，而且能够更好的显示出我们所需要的测量显示。1.3方案论证1.3.1总体思路本设计是基于单片机AT89C52智能处理，根据单片机的外接按键控制测量电路的选择，通过NE555定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式构成的振荡电路长生的一定频率的波。再通过单片机的I/O口对高低电平的捕获读出频率，再通过程序算法处理换算成电阻电容电感的值，然后再通过单片机送给1602液晶显示。RLC简易测量仪设计的关键问题是：如何完成RLC的测量。7RLC简易测量仪设计的核心问题是：如何产生转化电路输出频率。1.3.2设计方案系统方框图如图8所示。被测电阻555多谐振荡器多路选择开关CD4052分频电路电容三点式振荡器被测电阻电感被测电容AT89S52LCD显示二极管指示555多谐振荡器f0f0f0档位选择档位选择档位选择按键选择测量档位图8系统方框总图2.单元电路设计简易电阻电容电感测量仪功能：测量并显示被测电阻电容电感的值。简易电阻电容电感测量仪所需器件：ne555定时器，8015，三极管，1602液晶显示，单片机AT89S52。被测量RLC频率f显示RLC转换电路单片机图9测量原理框图2.1电阻测量电路电阻的测量采用“脉冲计数法”，如图10所示由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1得出：即：8电路分为2档:1.100≤Rx1000欧姆：IOA5设置为高电平输出，IOA7设为低电平输出；2.R2=200欧姆；C2=0.22uF；3.Rx=(6.56*(1e+6))/(2*fx)-330/24.对应的频率范围为：2.8K≤fx16K5.1000≤Rx1M欧姆：IOA6设置为高电平输出，IOA8设为低电平输出。6.R1=20k欧姆；C1=103PF；7.Rx=(1.443*(1e+8))/(2*fx)-(1e+4)图10电阻测量电路2.2电容测量电路电容的测量同样采用“脉冲计数法”，如图11所示由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*Cx+（ln2）R2*Cx我们设置R1=R2;得出：即：电路分为2档:R1＝510K欧姆：IOA10设置为高电平输出；R4=R6；Cx=(0.94*(1e+6))