1、电容电感测量仪讲解 单片机技术课程设计说明书 电容电感测量仪 学 院： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 学 号： 完成时间： 摘 要随着电子工业的高速发展，电子元器件的需求增加，电子元器件的适用范围亦越来越广泛。在生活应用中我们常常要测定电容、电感的大小。因此，设计一种安全、便捷的电容电感测量仪具有很大的现实必要性。该电容电感测量仪以AT89S52单片机控制核心，通过测量频率来间接测量电容、电感，并对测试数据和测试结果进行保存记录。该电容电感测量仪是通过LCD1602液晶显示屏来显示当前测量值，当把待测的元件插上测试端子后，按下按键即开始进行相应测量。本设计测量精度相对较高，
2、且性能稳定，是一款操作简单、具有记忆功能的智能化电容电感测量仪。电容电感测量仪具有测量工作量小、快捷简便、性能稳定、测量准确、故障检出率高等特点。它解决了现场测量单个电容器需要拆除连接线、测量电抗器的电感、电容表输出电压低导致故障检出率低等问题，为推动电子工业的发展做了一定的贡献。关键词：电容电感测量仪；AT89S52；LCD1602 1 绪论1 1.1 课题的背景及意义1 1.2 电容电感测量仪的发展现状1 1.3 设计的主要内容1 2 系统整体设计3 2.1 设计思想3 2.2 系统总体框图33 硬件系统的设计5 3.1 主要元器件介绍5 3.1.1 AT89S52单片机5 3.1.2 L
3、CD1602液晶显示屏9 3.1.3 LM339电压比较器9 3.1.4 LM7805稳压块10 3.2 硬件单元电路的设计11 3.2.1 AT89S52单片机最小系统11 3.2.2 测量电路13 3.2.3 下载电路13 3.2.4 显示电路144 软件系统的设计15 4.1 软件设计的描述15 4.2 系统软件的程序设计15 4.2.1 定时器/计数器模块15 4.2.2 液晶显示模块16 4.2.3 按键处理程序模块16 4.2.4 电容电感计算程序模块17 4.2.5 主程序流程图175 系统测试与结果分析19 5.1 对电容电感的测试结果19 5.2 误差分析19 5.3 设计体
4、会20参考文献21致谢22附录23 附录A 元件清单23 附录B 实物图24 附录C 程序清单251 绪论1.1 课题的背景及意义随着电子工业的发展，单片机技术已经在智能化测量仪表中得到越来越广泛的应用。利用单片机的软件来代替硬件功能，可以实现仪表测量的自动化，并能进行数据分析处理，以达到仪表的高可靠性、高精度和多功能。目前的电容、电感仪器设计中存在精度不够高、智能化程度不足等问题。在生活应用中我们常常要测定电容、电感的大小。因此，设计一种安全、便捷的电容电感测量仪具有很大的现实必要性。1.2 电容电感测量仪的发展现状当今电子测试领域，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。
5、电容和电感的测量发展已经很久，而且方法众多，常用测量方法如下。（1）传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单、速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。（2）电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能够较准确的测量电感，但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数法和同步分离法。纵览目前的电容电感测量仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便于携带，而且价格比较昂贵。例如传统的用阻抗法、Q表、电桥平衡法等测试电容、电感的过程中
6、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，对电容、电感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、操作简单和智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间。本设计正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜、操作简单、体积更小、功能强大和便于携带的电容电感测量仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机AT89S52的智能电容电感测量仪，人机界面友好、操作方便的智能电容电感测试仪，具有十分重要的意义。1.3 设计的主要内容本设计以AT89S52单片机控制核心，通过测量频率来间接测量电容、电感，并对测试数
7、据和测试结果进行保存记录。该电容电感测量仪是通过LCD1602液晶显示屏来显示当前测量值，当把待测的元件插上测试端子后，按下按键即开始进行相应测量。本设计测量精度相对较高，且性能稳定，是一款操作简单、具有记忆功能的智能化电容电感测量仪。2 系统整体设计2.1 设计思想为了让电容、电感的测量更加方便、可靠，让性价比更高的电容电感测量仪面向大众，根据所学的知识和自身能力对电容电感测量仪进行设计。具有以下三点要求：（1）电容电感测量仪操作简单、能耗低。（2）能够对所测得的电容、电感进行直观的显示。（3）其精度控制在5%。2.2 系统总体框图图1 系统总体框图如图1所示，图中给出了整个系统的总体框图。
8、系统主要由六个部分组成，单片机和晶振电路、测量电路、下载电路、显示电路、复位电路以及直流稳压电源。3 硬件系统的设计3.1 主要元器件介绍3.1.1 AT89S52单片机电容电感测量仪的设计采用AT89S52单片机作为系统的核心。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。A
9、T89S52单片机的引脚图如图2所示。图2 AT89S52单片机引脚图AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻
10、辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P0口电路逻辑如图3所示。图3 P0口电路逻辑P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能
11、：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P1口电路逻辑如图4所示。图4 P1口电路逻辑 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时
12、，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P2口电路逻辑如图5所示。 图5 P2口电路逻辑P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3
13、 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时器/计数器0)P3.5 T1(定时器/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于Flash闪存编程和程序校验的控制信号。P3口电路逻辑如图6所示。图6 P3口电路逻辑地址锁存控制信号ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于
14、输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。外部程序存储器读选通信号：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。访问程序存储器控制信号/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），端必须保持低电平（接地）。需
15、注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存端状态。如端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。复位信号RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。外接晶体引线端XTAL1和XTAL2：当使用芯片内部时钟时，XTAL1和XTAL2用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号。3.1.2 LCD1602液晶显示屏LCD1602为工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。它由若干个5
16、X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。LCD1602液晶显示屏的引脚图如图7所示。图7 LCD液晶显示屏引脚图LCD1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：GND为电源地。第2脚：VCC接5V电源正极。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写
17、信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。第6脚：EN端为使能端,高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3.1.3 LM339电压比较器芯片LM339是很常见的集成电路。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：（1）失调电压小，典型值为2mV。（2）电源电压范围宽，单电源为236V，双电源电压为1V18V。（3）对比较信号源的内阻限制较宽。（4）共模范围很大。（5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压。（6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块
18、采用C-14型封装，外型及管脚排列如图8所示。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。图8 LM339电压比较器引脚图第1脚：OUTPUT2为输出端2。第2脚：OUTPUT1为输出端1。第3脚：Vcc为电源正极。第4脚：-INOUT1为反相输入端1。第5脚：+INOUT1为同相输入端1。第6脚：-INOUT2为反相输入端2。第7脚：+INOUT2为同相输入端2。第8脚：-INOUT3为反相输入端3。第9脚：+INOUT3为同相输入端3。第10脚：-INOUT4为反相输入端
19、4。第11脚：+INOUT4为同相输入端4。第12脚：GND为电源地。第13脚：OUTPUT4为输出端4。第14脚：OUTPUT3为输出端3。3.1.4 LM7805稳压块LM7805为三端稳压集成电路，是我们最常用到的稳压芯片了，它的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,它的输出电压恰好为5V，刚好是AT89S52单片机运行所需的电压。LM7805稳压块的引脚图如图9所示。图9 LM7805 稳压块引脚图其中引脚1接输入，引脚2接地，引脚3接输出。 3.2 硬件单元电路的设计3.2.1 AT89S52单片机最小系统AT89S52单片机最小系统与工业80C51产品指令和引脚完全兼
20、容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活，超有效的解决方案。AT89S52单片机最小系统电路如图10所示。图10 AT89S52单片机最小系统电路AT89S52单片机最小系统特点：（1）具有电源指示。（2）可以实现与电脑串口通信。（3）标准的11.0592M晶振。（4）具有上电复位和手动复位。（5）支持AT89SXX系列单片机。（6）支持STC国产高性能单片机，且兼容单片机STC89C51、STC89C52、STC89C53等。（7）支持STC串口下载。单片机只有
21、满足相应的时钟信号才能进行工作，时钟信号由晶振电路产生，通过在AT89S52的XT1、XT2引脚上接入11.0592MHz的石英晶振外加两个电容(电容根据经验一般取30pF)组成的电路为单片机提供时钟信号。采用11.0592MHz的晶振更能实现对计算机进行通信的波特率，使用11.0592MHz的晶体晶振为系统单片机提供必要的时钟信号。晶振电路如图11所示。图11 晶振电路AT89S52有复位信号引脚RST，用于从外界引入复位信号。复位有两种方式，即手动复位和加电复位。在实际系统中，总是把手动复位电路和加电复位电路结合在一起，形成一个既能手动复位，又可加电复位的公用复位电路。单片机复位信号的产生
22、采用了按键方式的电路设计。按复位键通过电容（一般采用104）对单片机产生复位信号。复位电路如图12所示。图12 复位电路3.2.2 测量电路电路是一个由LM339组成的LC振荡器。由单片机测量LC震荡回路的频率，然后根据标准电容出电感的值。 （1） 电容、电感的值，分别用下列式子计算： （2） （3）其中，是固有频率，是接入测试电容、电感后的频率。测量电路如图13所示。图13 测量电路3.2.3 下载电路下载电路是下载口与单片机I/O口线相连。其中第1脚为MOSI，与单片机的P1.5引脚连接；第2脚为Vcc，接电源正极；第3脚为NC；第5脚为RST，接单片机的RET；第7脚为SCK，接单片机的
23、P1.7引脚；第9脚为MISO，接单片机的P1.6引脚；第4、6、8、10脚为GND，接电源地。下载电路如图14所示。图14 下载电路3.2.4 显示电路LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。显示电路如图15所示。图15 显示电路4 软件系统的设计4.1 软件设计的描述对于电容电感测量仪设计的软件系统包括定时器/计数器程序模块、液晶显示程序模块、按键处理程序模块、控制与计算程序模块等，以及其它必须要有的基本模块程序。按键处理程序模块主要通过在主程序中调用键扫函数keyscan()来执行相应的功能。液晶显示是通
24、过在主程序中调用相关的液晶功能函数来执行相应功能。通过调用处理函数：lcd_set()：LCD功能设置函数；display(uchar y, uchar x, uchar *p)：显示函数；delay(uint count)：延时函数；write(uchar command)：写命令函数；read(uchar data0)：写数据函数；jishu(void);显示缓冲；jisuan(void);处理函数；keyproc();键功能程序；disds();显示函数；先在键盘上输入一个数字，然后输入一个运算符，再输入一个数字，最好通过处理函数运算出结果并把结果显示在液晶上或者先输入一个特殊的运算符，
25、再输入一个数字，最后通过处理函数运算出结果并把结果显示在液晶上。4.2 系统软件的程序设计4.2.1 定时器/计数器模块AT89S52单片机有两个定时器/计数器T0和T1，初始化程序将T0设置为计数器，T1设置为定时器。T0是工作在计数状态下，对输入的信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为FOSC/24，由于FOSC=12MHz，因此，T0的最大计数频率为500KHz。T1工作在定时状态下，最大定时时间65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒的定时功能。频率计开始工作或者完成一次频率或周期的测量，程序都进行测量初始化。测量初始化模块是用来设置
26、1602液晶显示、工作寄存器、中断控制和定时器/计数器工作方式的。4.2.2 液晶显示模块液晶接在单片机上的P0及P3部分管脚，通过液晶功能函数LCD1602（）的调用对液晶进行操作，将各类指令写入液晶模块，用来驱动液晶以实现不同的显示功能，达到界面显示的要求。液晶显示流程图如图16所示。图16 液晶显示流程图4.2.3 按键处理程序模块按键处理程序的主要功能就是设置测量的类型和测量的档位，当有按键被按下时就执行相应的按键功能。按键处理程序流程图如图17所示。图17 按键处理程序流程图4.2.4 电容电感计算程序模块AT89S52单片机根据测得的频率计算出电容、电感值，该程序的流程图如图18所
27、示。图18 电容电感计算程序流程图4.2.5 主程序流程图系统上电初始化并且清屏,单片机初始化完成后,进入键盘扫描程序,当要进行电容或电感测量时,选择测量按键,系统进行自动判断并进行电容或电感的测量。当判断为电容时,系统选择电容的计算方法。当判断为电感时,系统选择电感的计算方法。计算完成后在液晶屏上显示测量结果。当把待测的电容或电感接入时,系统自动进行判断,根据判断结果确定算法。当判断到是电容时,系统进，入电容的计算方式,电容的计算方式采用公式（1）。当判断为电感时,系统进入电感的计算方式，电感的计算方式采用公式（2）（3）。采用该系统进行电容和电感的测量,由于元器件的热稳定性和外界对电路的干
28、扰影响,测量的结果会有所跳动,是因为三极管的结电容随着温度的变化而变化,从而影响测量结果,基于以上原因,在测量过程中可以采用多次测量求平均值的方法提高测量精度。主程序流程图如图19所示。图19 主程序流程图5 系统测试与结果分析5.1 对电容电感的测试结果我们对于各种性质的元件（电容电感）分别找了足够量的元件；用高精度数字万用表测量出器容值（感值）取多个相同电容的平均值作为参考量；然后用我们自制的电容电感测量仪进行测量，测量多个容值不同的电容，算出其误差，最后求平均误差，电感的测量同理。表1 电容测试结果标准值 测试值 测试相对误差10pF 9.56pF -0.044100pF 103.00pF 0.0300 1nF 997.05pF -0.0029510nF 10.05nF 0.005100nF 100.78nF 0.00781uF 998.78nF -0.0012210uF 9.85uF -0.015100uF 102.95uF 0.0298表2 电感测试结果标准
