基于51单片机的LCR测试仪的设计(1).docx
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任务书
一、 原始依据(包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。
)
工作基础:
掌握51单片机的基本原理,能够利用C语言独立完成相关应用程序的设计与开发。
研究条件:
51单片机开发板以及51单片机实验系统
应用环境:
基于51单片机的电阻电容电感的测量
工作目的:
熟练掌握51单片机的C语言编程
熟练使用Proteus/Protel作为电路设计、仿真的辅助工具。
了解电阻、电容以及电感的测量方法。
熟练掌握基于51单片机的外围硬件电路的设计方法。
二、 参考文献
[1]单片机的C语言应用程序设计,马忠梅,北京航空航天大学出版社,2007.
[2]具有语音功能的RCL测试仪设计.苏炯,科技创新导报,2011.
[3]新概念51单片机C语言教程,郭天祥,电子工业出版社,2008.
[4]C程序设计(第三版),谭浩强,清华大学出版社,2007.
[5]The8051MicrocontrollerandEmbeddedSystems,MuhammadAliMazidietc.
三、 设计(研究)内容和要求(包括设计或研究内容、主要指标与技术参数,并根据课题性质对学生提出具体要求。
)
1、 掌握51单片机C编程。
2、 掌握电阻、电容、电感测量的实现方法,如电容三点式振荡电路等,并进行电路的设计和仿真。
3、 完成相关的外围输入输出接口的设计,如矩阵式键盘、数码管显示。
指导教师(签字)
年 月 日
审题小组组长(签字)
年 月 日
随着电子工业的发展,电子元器件急剧增加,常常要用到电阻、电容、电感等一些基本的元器件,对于它们的测量就是经常要做的一件事,然而万用表有一定的局限性,它一般只可以测量有限元器件的参数,而不能测量像电容和电感一类的电抗元件。
因此,设计一种安全,可靠,便捷的RCL测试仪具有极大的现实意义。
本次设计系统以AT89C51单片机为控制核心,测量电阻、电容是通过555定时器和少量电容、电阻组成555多谐振荡电路输出方波。
测量电感是通过LC电容三点式振荡电路输出方波。
将R、L、C转换成频率信号f,通过单片机计数功能得出被测频率,运用电路之间的关系得出公式计算出电阻、电容、电感的参数值送至LED数码显示。
实验测试结果表明,本次设计的系统性能稳定,测量精度高
关键词:
AT89C51单片机;555多谐振荡电路;电容三点式
ABSTRACT
Withthedevelopmentofelectronicindustry,electroniccomponentsrapidlyincreased,oftenhavetouseresistors,capacitors,inductors,etc.someofthebasiccomponents,fortheirmeasurementisoftentodoonething,howevermillionwithtablehassomelimitations,itisgenerallyonlycanbealimitcomponentparametermeasurement,andcannotbemeasuredlikecapacitiveandinductivereactanceelement.Therefore,itisofgreatpracticalsignificancetodesignasafe,reliableandconvenientRCLtester.ThedesignsystemtoAT89C51microcontrollerasthecontrolcore,themeasurementofresistance,capacitanceisthroughthe555timerandasmallamountofcapacitance,resistancetoforma555harmonicoscillationcircuitoutputsquarewave.TheinductanceismeasuredbytheoutputsquarewaveoftheLCcapacitorthreepointtypeoscillationcircuit.TheR,L,CconvertedintofrequencysignalF,throughthesingle-chipcountingfunctiontoobtainthemeasuredfrequency,theuseoftherelationshipbetweenthecircuitformulatocalculatetheresistance,capacitance,inductanceparametervaluessenttoLEDdigitaldisplay.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhasstableperformanceandhighmeasurementprecision.
Keywords:
AT89C51MCU;555multiharmonicoscillationcircuit;capacitorthreepointtype
第一章 绪论 1
1.1课题的背景意义及目的 1
1.2国内外发展状况及存在问题 1
1.3本设计的主要内容 2
第二章 RCL测试仪的系统设计 3
2.1设计要求 3
2.2方案比较 3
2.3方案确定 5
第三章 RCL测试仪的硬件设计 7
3.1控制部分 7
3.2测Rx的555多谐振荡电路 11
3.3测Cx的555多谐振荡电路 16
3.4测Lx的电容三点式振荡电路 18
3.5显示部分 20
第四章 RCL测试仪的软件设计 22
4.1程序流程 22
4.2RCL测试仪的计算程序 25
第五章 RCL测试仪的系统测试 26
5.1电阻的调试与仿真 26
5.2电容的调试与仿真 27
5.3电感的调试与仿真 28
第六章 总结与展望 30
6.1总结 30
6.2展望 30
参考文献 31
外文资料
中文译文
致谢
2
第一章绪论
1.1课题的背景意义及目的
电子材料与元件的电学性能参数的测量是一项基本而重要的工作。
这些电学参数包括不同频率、不同温度下的电阻、电容、阻抗、介电常数、损耗角正切值等特性测量。
全面而准确地掌握这些特性,对分析、改进电子材料与元件的性能十分重要。
以前,这类测试工作是采用测试仪器人工逐点给出不同测试条件(温度、频率)、旋动转换开关,记录完成,以达到对多个样品的一次测量,然后对测试数据进行人工或计算机辅助分析处理。
需投入大量的人力和精力,数据分析困难。
为了克服上述缺点,使测量数据更全面和准确,实现电子材料与元件特性测量与数据分析的自动化和智能化,设计了全自动的RCL测试系统。
采用51单片机技术设计,具有操作简单、自动转换量程、体积更小、功能更强大、便于携带和人机界面友好等特点。
现在国内外有很多仪器设备公司都致力于低功耗手持式电抗元器件测量仪的研究与制作,而且精度越来越高,功耗越来越低,体积越来越小一直是他们不断努力的方向。
因此基于51单片机的RCL测试仪的设计有重要的意义。
1.2国内外发展状况及存在问题
到目前为止,RCL检测在国内外已有多家厂商生产出来,其厂家主要有日本的日置,美国的安杰伦、惠普等,他们生产的产品体积小,测试频率的范围可以从十几赫兹到几十兆赫兹,多段频率选择,测试速度快。
国内的厂家主要有上海仪器仪表研究所、苏州协锐电子等,其所生产的测试仪测试频率的范围一般从几十赫兹到几百千赫兹,体积比较大,且可供选择的种类也很少,但测试速度与国外仪器相当。
我国与国外电子测量技术相比仍有很大差距,部分的企业、学校、科研单位等使用的仪器设备几乎都是依靠进口。
同时,国外公司还在国内中档产品以及许多关键零部件市场上占有60%以上的份额。
世界测试仪器市场对我国仍然有很大的影响。
目前世界电子测量仪器市场,竞争依然激烈,在这信息化时代的推动下,全世界的测试仪器市场将会继续保持很好的势头,电子测量技术的前景依然很乐观。
1.3本设计的主要内容
本设计中把R、C、L转换成频率信号f,转换的原理分别是555多谢振荡电路振荡电路和LC电容三点式振荡电路,通过单片机计数则可以计算出被测频率,再通过该频率计算出各个参数。
然后根据所测频率判断是否转换量程,或者是在数据处理后,把R、C、L的值送数码管显示相应的参数值。
15
第二章 RCL测试仪的系统设计
2.1设计要求
2.1.1设计任务
设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪,示意框图如图
2-1:
图2-1 RCL测试仪示意图
2.1.2技术要求
基本要求
(1) 测量范围
电阻:
100Q〜1M。
;
电容:
100pF〜10000pF;
电感:
100p_H〜10mH;
(2) 测量精度:
+5%;
(3) 制作6位数码管显示器,显示测量数值;
发挥部分
(1) 扩大测量范围;
(2) 提高测量精度;
2.2方案比较
目前,测量R、L、C等电子元件参数的仪表种类很多,方法也多种多样,并且都有其优缺点。
测量阻抗参数最常用的有伏安法、电桥法和谐振法。
2.2.1伏安法
伏安法又称作电压电流法,最基本的就是根据R的定义式来测量。
在如图2-2中,分别利用电流表和电压表测出通过电阻的电流值和电压值,根据公式R=U/I求得电阻值。
这种方法需要测出两个模拟量,不易实现自动化。
一般只能用于频率较低的情况,并且需要把电阻、电容和电感看成理想元器件。
图2-2伏安法电路图
图2-3电桥法电路图
2.2.2电桥法
电桥法是利用电桥平衡的原理,如图2-3。
是能同时测量电器元件R、L、C的最典型方法,电阻R可用直流电桥测量,电感L、电容C可用交流电桥测量。
电桥的平衡条件为:
Z]•Z•a'Sg=Z2•Z-
通过调节阻抗z1、z2使电桥达到平衡,电表读数为零。
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,可以通过联立方程求解参数的值,但电阻值需要手动调节,并且电桥的平衡也不易用简单的电路实现。
因此,电桥法难以实现自动测量。
2.2.3谐振法
谐振法是利用LC串联电路和并联电路的谐振特性来进行测量的方法(如图2-4)。
LC串联电路或并联谐振电路产生谐振的条件是外加信号源的角频率等于回路的固有角频率,以此可以求出电感和电容的值。
它可以在工作频率上进行测量,使测量的条件更接近使用情况。
但是,这种测量方法要求频率连续可调,直至谐振,而且精度不高,但可以测得很高的Q值。
此外,谐振法和电桥法一样在调节和平衡判别上很难实现智能化。
图2-4
谐振法电路图
2.2.4RCL的数字化测量法
RCL的数字化测量是将测量的模拟量转化为数字量。
有很多的仪表都是把较难测量的物理量转换成较容易测量的且精度较高的物理量。
基于此,我们可以把电子元件所要测量的参数R、L、C转换成频率信号f,然后运用单片机计数后再通过公式求出R、L、C的值,并送显示,转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。
频率f是单片机很容易处理的数字量,这种数字化处理不但便于使仪表实现智能化,而且也避免了由指针读
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- 基于 51 单片机 LCR 测试仪 设计