1、畢業設計課題: 電阻電容電感測試儀的設計學生姓名： 李燦炎 學 號： 201234801110專 業： 電子信息工程 班 級： 電子G31102 院（系）： 機械與電子信息工程學院 指導教師： 黃文華 職 稱： 中級工程師 二年月日畢業設計真實性承諾及指導教師聲明學生畢業設計真實性承諾本人鄭重聲明：所提交的畢業設計是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，內容真實可靠，不存在抄襲、造假等學術不端行為。除文中已經注明引用的內容外，本設計不含其他個人或集體已經發表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。如被發現設計中存在抄襲、造假等學術不端

2、行為，本人愿承擔相應的法律責任和一切后果。學生（簽名）：李燦炎日 期：指導教師關于學生畢業設計真實性審核的聲明本人鄭重聲明：已經對學生畢業設計所涉及的內容進行嚴格審核，確定其成果均由學生在本人指導下取得，對他人論文及成果的引用已經明確注明，不存在抄襲等學術不端行為。指導教師（簽名）： 日 期：注：此聲明由指導教師和學生本人親筆簽名。電阻電容電感測試儀的設計摘要隨著電子技術的迅速發展，電子器件用品已經成為人們不可缺少的工具之一。最近一直提倡，節約能源，綠色環保。既然節約能源，本設計是一種基于單片機(89C51)的高精度電阻電感電容測量儀器的設計.本設計采用MAX038單片壓控函數發生器產生高精度

3、的正弦波信號流經待測的電容或者電感和標準電阻的串連電路,利用電壓比例計算的方法推算出電容值或者電感值,利用51單片機控制測量和計算結果,采用1602液晶模塊實時顯示數值,可以手動調節量程,正弦信號發生器可以實現幅值和頻率的調整,為了提高精度,我們把被測的交流電壓先通過ICL7650來消除因為AD637輸入電阻較低產生的誤差.實驗測試結果表明,本設計性能穩定,測量精度高.關鍵詞: 電壓比例法 89C51 AD637 1602液晶AbstractThedesignisthedesignofahighprecisioninstrumentforRLCmeasurementbasedonmicroco

4、ntroller(89C51).ThisdesignadoptedMAX038monolithicvoltagecontrolledfunctiongeneratortoproducehighaccuracysinewavesignal,whichpassedthroughtheseriescircuitofthecapacityorinductanceandstandardresistance,andthenmeasuredtherespectivevoltageofthecapacityortheinductanceandthestandardresistance.Usingthevolt

5、ageproportionmethodcalculatedthecapacitancevaluesorinductancevalues.Thedesignused51microcontrollertocontrolthemeasurementandcalculationresults,used1602LCDtoshowtheresult.Therangecanbeadjustedmanually,sinesignalgeneratorcanadjustamplitudeandfrequencytoimproveaccuracy,wemeasuredtheACvoltagethroughtheI

6、CL7650toeliminatetheerrorcausedbythelowerinputresistanceofAD637.Experimentalresultsshowthattheperformanceofthisdesignisstableandofhighmeasurementaccuracy.Keywords: Voltageproportionmethod;89C51;AD637;1602LCD;目錄摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 設計的背景及意義11.2 電阻、電容、電感測試儀的發展歷史及研究現狀2第二章 電壓比例法測量原理22.1.電阻、電容、電感測試儀設

7、計方案比較22.2系統原理框圖22.3 電阻、電容、電感測試儀的系統硬件設計32.3.1 MCS-51單片機電路的設計32.3.2 LED數碼電路的鍵盤電路設計3第三章 系統方案43.1系統總體方案設計與結構框圖43.2MCS-51單片機電路的設計53.3LED數碼管電路與鍵盤電路的設計6第四章軟件設計74.1 I/O口的分配84.2 主程序流程94.3 頻率參數計算的原理9第五章 PCB板的設計與系統的調試105.1 PROTEL99SE的介紹與PCB板的設計10 5.1.2、電路仿真與PLD部分105.1.3 Protel 99 SE的功能特性115.2 系統調試與系統測試12 5.2.1

8、 系統軟件調試13 5.2.2 系統硬件調試135.2.3 系統測試14第六章 設計總結與展望14參考文獻15致 謝16第一章、系統開發背景1.1引言現代電子產品正以前所未有的速度,向著多功能化、體積最小化、功耗最低化的方向發展,機電產品廣泛應用于家電、通信、一般工業乃至航空航天和軍事領域.無論是日常生活還是高端科技領域,電子技術的應用均日益深入.掌握必備的電子技術基礎設計制作基礎知識和基本技能,能夠滿足我國目前產業結構對廣大技術工人、工程技術人員基本素質的要求,而且能為從事高端電子系統開發培養能力和素質,適應信息時代的需要. 目前市面上測量電子元器件參數R、C和L的儀表種類較多,方法和優缺點

9、也各有不同.一般的測量方法都存在計算復雜,不易實現自動測量而且很難實現智能化等缺點. 電阻電容電感測量方法較多(諧振法,電橋法,電壓比例法等)但因為對于測量儀器來說精度越高越好,所以本設計選擇精度比較高的電壓比較法做電阻電感電容測試儀,它的原理是將一定頻率的交流信號經過串聯分壓電路轉化為電壓信號,然后經過電路處理變成頻率信號經過單片機進行比例運算,最后將計算出的測量值輸送給顯示模塊并顯示各參量對應的量綱.1.2設計背景與意義目前，隨著電子工業的發展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應用中我們常常要測定電阻，電容，電感的大小。因此，設計可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感

10、測試儀具有極大的現實必要性。通常情況下，電路參數的數字化測量是把被測參數傳換成直流電壓或頻率后進行測量。電阻測量依據產生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。傳統的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數字化測量技術的發展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數字化測量常采用恒流法和比較法。電感測量可依據交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交流電橋的平衡過程復雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數字化測量常采用時間常數發和同步分離法

11、。由于測量電阻，電容，電感方法多并具有一定的復雜性，所以本次設計是在參考555振蕩器基礎上擬定的一套自己的設計方案。是嘗試用555振蕩器將被測參數轉化為頻率，這里我們將RLC的測量電路產生的頻率送入AT89C52的計數端端，通過定時并且計數可以計算出被測頻率再通過該頻率計算出各個參數。1.3電阻、電容、電感測試儀的發展歷史及研究現狀電阻、電容和電感測試發展已經很久，方法眾多，常用測量方法如下。電阻測量依據產生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。傳統的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者

12、測量精度高，但速度慢。隨著數字化測量技術的發展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數字化測量常采用恒流法和比較法。電感測量可依據交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交流電橋的平衡過程復雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數字化測量常采用時間常數發和同步分離法第二章 、 電壓比例法測量原理2.1 電阻、電容、電感測試儀設計方案比較Z為電感在電路中角頻率為1w的等效阻抗,2Z為電感在電路中角頻率為2w的等效阻抗,L為電感量,SR為電感的等效電阻.為保證測量精度,必須保證電阻的精度和w的高穩定值.為此,我們在該設計中采用MAX038單片壓控函數發生器3-4產生高精度

13、的正弦波信號,同時輸出緩沖器采用了運算放大器,為保證波形精度采用了閉環深度負反饋方式,無失真的放大正弦信號.電阻、電容、電感測試儀的設計可用多種方案完成，例如利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時間常數發和同步分離法等、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與單片機結合或CPLD與EDA相結合等等來實現。在設計前對各種方案進行了比較：1)利用純模擬電路雖然避免了編程的麻煩，但電路復雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現在已較少使用。2)可編程邏輯控制器(PLC)應用廣泛，它能夠非常方便地集成到工業控制系統中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較

14、好，在設計中可采用PLC對硬件進行控制，但是用PLC實現價格相對昂貴，因而成本過高。3)采用CPLD或FPGA實現應用目前廣泛應用的VHDL硬件電路描述語言，實現電阻，電容，電感測試儀的設計，利用MAXPLUSII集成開發環境進行綜合、仿真，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統的控制作用。但相對而言規模大，結構復雜。2.2 系統的原理框圖系統分四大部分：測量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過P1.3和P1.4向模擬開關送兩位地址信號，取得相應的振蕩頻率，然后根據所測頻率判斷是否轉換量程，或者是把數據進行處理后，得出相應的參數值。系統設計框圖如圖所示。2.3 電阻、電容、電

15、感測試儀的系統硬件設計2.3.1 MCS-51單片機電路的設計在本設計中，考慮到單片機構成的應用系統有較大的可靠性，容易構成各種規模的應用系統，且應用系統有較高的軟、硬件利用系數。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現。另外，本設計還需要利用單片機的定時計數器、中斷系統、串行接口等等，所以，選擇以單片機為核心進行設計具有極大的必要性。在硬件設計中，選用MS-51系列單片機，其各個I/O口分別接有按鍵、LED燈、七位數碼管等，通過軟件進行控制。2.3.2 LED數碼管電路與鍵盤電路的設計在電阻、電容、電感測試系統中，用LED燈來顯示測量參數的類別和電源指示，既簡單又顯而易見。 與小白熾

16、燈泡和氖燈相比，LED的特點是：工作電壓很低(有的僅一點幾伏)；工作電流很小(有的僅零點幾毫安即可發光)；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調制通過的電流強弱可以方便地調制發光的強弱。由于有這些特點，發光二極管在一些光電控制設備中常常用作光源。在本設計中，利用單片機的P1.0、P1.1和P1.2口直接和發光二極管相連接，控制程序放在 MCS-51單片機的ROM中。第三章 、 系統方案3.1系統總體方案設計與結構框圖本電路由電源模塊、正弦信號發生器、標準電阻和電感或電容串聯分壓電路、多路開關、電壓跟隨器、高精度交流/有效值轉換、A/D轉換、單片機、液晶顯示、鍵盤等模塊組成.系統主要模塊流

17、程圖如圖1所示:3.2MCS-51單片機電路的設計在本設計中，考慮到單片機構成的應用系統有較大的可靠性，容易構成各種規模的應用系統，且應用系統有較高的軟、硬件利用系數。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現。另外，本設計還需要利用單片機的定時計數器、中斷系統、串行接口等等，所以，選擇以單片機為核心進行設計具有極大的必要性。在硬件設計中，選用MS-51系列單片機，其各個I/O口分別接有按鍵、LED燈、七位數碼管等，通過軟件進行控制。MCS-51單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等幾大單元，以及數據總線、地址總線和

18、控制總線等三大總線，現在分別加以說明：1)中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。2)數據存儲器(RAM)：內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。3)程序存儲器(ROM)： 共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數據或表格。 4)

19、定時/計數器(ROM)： 有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。 5)并行輸入輸出(I/O)口： 共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。 6)全雙工串行口： 內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發器，也可以當同步移位器使用。 7)中斷系統： 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串口西安交通大學城市學院本科生畢業設計（論文）8 中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優先級別選擇。8) 時鐘電路： 本電路使用單片機內部振蕩器，11.0592MHz的晶

20、體諧振器直接接在單片機的時鐘端口X1和X2，電路中C2、C3為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工作可靠 。另外本系統的容阻上電復位，就是利用RC電路的充電過程來給單片機復位。RC電路的時間常數計算公式： T=RC即：T=RC=10u*10k=100ms。當需要復位時，也可以按下復位按鍵，進行復位。3.3LED數碼管電路與鍵盤電路的設計在電阻、電容、電感測試系統中，用LED燈來顯示測量參數的類別和電源指示，既簡單又顯而易見。與小白熾燈泡和氖燈相比，LED的特點是：工作電壓很低(有的僅一點幾伏)；工作電流很小(有的僅零點幾毫安即可發光)；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調制通過的電流強弱可

21、以方便地調制發光的強弱。由于有這些特點，發光二極管在一些光電控制設備中常常用作光源。在本設計中，利用單片機的P1.0、P1.1和P1.2口直接和發光二極管相連接，控制程序放在MCS-51單片機的ROM中。由于測試指示燈為發光二極管且陽極通過限流電阻與電源正極相接，所以為共陽極。因此I/0口輸出低電平時，與之相連的相應指示燈會亮；I/0口輸出高電平時，相應的指示燈會滅。發光二極管的接口電路如圖所示：在本設計中，LED應用于七位數碼管中，實現了被測參數的顯示，七位數碼管以共陰極的方式經過74LS573鎖存器與單片機的P0口相連。六位數碼管顯示被測參數的示值從左到右依次代表十萬、萬、千、百、十和個位

22、，這樣顯示結果更為簡單可行。數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。 系統核心電路(AT89S52最小系統)的P0口以總線方式與二片數據鎖存器(74HC573)相連接，二片74HC573的片選使能端(LE)分別連接在或非門(74HC02)的1、4管腳，三個或非門相類似，都是兩個輸入端的其中一端接在單片機的16管腳(WR)，而另一端分別接在P2.5P2.6。單片機片選電路如圖所示ULN2803是達林頓管，在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出的作用。由于電路使用的是共陰極動態顯示方式，ULN2803在

23、位碼數據鎖存器后連接八個數碼管的COM端，可以增強驅動數碼管的能力，使數碼管的顯示效果更好。 本設計中設置了Sr,Sc,SL三個按鍵，利用單片機的P1.0、P1.1和P1.2口直接和按鍵相連接，控制程序放在 MCS-51單片機的ROM中用于啟動各個被測參數程序的調整。見圖按鍵電路所示第四章、電阻、電容、電感測試儀的軟件設計4.1 I/O口的分配： P1.0 R測量程序的選擇 P1.1 C測量程序的選擇 P1.2 L測量程序的選擇 P1.3-P1.4多路選擇開關控制選擇 P1.0、P1.1和P1.2按鍵輸入及測量指示燈 在本設計的模塊中，模塊是以單片機為核心，再通過按鍵控制測量的被測參數在數碼管

24、顯示，按鍵主流程圖如所示。4.2 主程序流程在電阻、電容、電感測試儀的設計中，便于直觀性，在數碼管上顯示被測參數的選擇，被測參數各個燈的選擇以及具體設置。通過三個按鍵Sr,Sc,SL來進行靈活控制。 首先插入被測元件，開關打開以后，按下SET鍵，進行復位，然后進行按鍵選擇，選擇被測參數類別，之后單片機根據按鍵類別啟動相應的參數測試程序，測試完畢后將結果送入數碼管顯示。4.3 頻率參數計算的原理 本設計頻率的計算采用單片機外部中斷，對外觸發電路產生的脈沖 頻率的測量，再通過對測量數據的校正來完成。 單片機對頻率測量的原理如下圖所示。 電路原理圖第五章、PCB板的設計與系統的調試5.1、PROTE

25、L99SE的介紹與PCB板的設計 Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯網設計，具有很強的數據交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。按照系統功能來劃分，Protel99se主要包含以下兩大部分和6個功能模塊。5.1.1、電路工程設計部分 （1）電路原理設計部分(Advanced Schematic 99)：電路原理圖設計部分包括電路圖編輯器(簡稱SCH編輯器)、電路圖零件庫編

26、輯器(簡稱Schlib編輯器)和各種文本編輯器。本系統的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關電路圖和零件庫的各種報表。 (2)印刷電路板設計系統(Advanced PCB 99)：印刷電路板設計系統包括印刷電路板編輯器(簡稱PCB編輯器)、零件封裝編輯器(簡稱PCBLib編輯器)和電路板組件管理器。本系統的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。 （3）自動布線系統(Advanced Route 99)：本系統包含一個基于形狀(Shape-based)的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現PCB設計的自動化

27、。 5.1.2、電路仿真與PLD部分(1)電路模擬仿真系統(Advanced SIM 99)：電路模擬仿真系統包含一個數字/模擬信號仿真器，可提供連續的數字信號和模擬信號，以便對電路原理圖進行信號模擬仿真，從而驗證其正確性和可行性。(2)可編程邏輯設計系統(Advanced PLD 99)：可編程邏輯設計系統包含一個有語法功能的文本編輯器和一個波形編輯器(Waveform)。本系統的主要功能是；對邏輯電路進行分析、綜合；觀察信號的波形。利用PLD系統可以最大限度的精簡邏輯部件，使數字電路設計達到最簡化。(3)高級信號完整性分析系統(Advanced Integrity 99）：信號完整性分析系

28、統提供了一個精確的信號完整性模擬器，可用來分析PCB設計、檢查電路設計參數、實驗超調量、阻抗和信號諧波要求等。 5.1.3 Protel 99 SE的功能特性 1、開放式集成化的設計管理體系 2、超強功能的、修改與編輯功能 3、強大的設計自動 如圖所示：5.2 系統調試與系統測試 5.2.1 系統軟件調試單片機開發中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，匯編語言源程序要變為CPU可以執行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變為機器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發技術的不斷發展，從普遍使用

29、匯編語言到逐漸使用高級語言開發，單片機的開發軟件也在不斷發展，Keil軟件是目前最流行開發MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境(uVision)將這些部份組合在一起。運行Keil軟件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統。5.2.2 系統硬件調試本設計的硬件部分通過調試，在調試過程中遇到很多問題，由于本單路是由面包板搭成的，所以電路

30、不穩定。剛開始數碼管全亮但是單片機供電出現問題，用萬用表測試后發現單片機地線連接斷路，問題解決后在顯示測試過程中數碼管顯示不變，然后發現一片573芯片發熱，斷電后用萬用表測試發現連接該573芯片的數據口出現斷路，再次更換面包板后，測試顯示部分基本正常，有時會出現數碼管g段顯示不穩定，分析后可能因上次g段數據斷路導致573芯片發熱有損壞，更換新的573后顯示正常。其調試內容為：1)面包板接通電源，西安交通大學城市學院本科生畢業設計（論文）2)被測電阻的調試，按下Sr鍵后，閉合開關Srg,數碼管顯示被測電阻20K的阻值，程序在KEIL4.0軟件上運行后，調試數碼管全亮顯示效果，PCB板的設計與系統

31、的調試3)被測電容的調試，按下Sc鍵后，數碼管顯示被測電容103的示值: 電容調試經修正后的結果。5.2.3 系統測試(1) 測試原理：在系統設計中，以MCS-51單片機為核心的電阻、電容、電感測試儀，將電阻，電容，電感，使用對應的振蕩電路轉化為頻率實現各個參數的測量。其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產生的，而電感則是根據電容三點式產生的，將振蕩頻率送入AT89C52的計數端端，通過定時并且計數可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出被測參數(2) 測試方法：在測試時將被測參數通過本系統測量出來的示值與參數的標稱值進行對比，進而可以知道本系統的測試精度。(3) 測試儀器：示波器，萬用表，穩

32、壓電源，計算機。(4) 測試結果：通過按鍵，實現其按鍵所對應的功能，并觀察測試結果，對設計進一步的進行校正和對實現功能的可靠性的確認，并記錄觀察結果。 測試結果如下： a)電阻測試數據如表所示。電阻測試數據電容測試數據 (4)測試分析：在實際測量中，由于測試環境，測試儀器，測試方法等都對測試值有一定的影響，都會導致測量結果或多或少地偏離被測量的真值。為了減小本設計中誤差的大小，主要利用修正的方法來減小本測試儀的測量誤差。所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中，求取某類系統誤差的修正值。在測量的數據處理過程中選取合適的修正值很關鍵，修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關資料中查取；第二種途徑是通過理論推導取第三種途徑是通過實驗求取。第六章、 設計總結與展望畢業論文是一次非常好的將理論與實際相結合的機會，通過對電阻、電容、電感測試儀的課題設計，鍛煉了我的實際動手能力，增強了我解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計規范以及電腦制圖等其他專業能力水平。 本設計的硬件電路圖簡單,可降低生產成本。采用單片機可提高系統的可靠性和穩定性,縮小系統的體積,調試和維護方便，而且以MCS-51單片機最小系統