.湖 北 师 范 学院课 程 设 计课 程 单片机 题 目 电容、电阻参数单片机测试系统的设计 院 系 机电与控制工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 1.任务书设计一个能测量电容、电阻参数的测试系统。具体要求：(1)测量范围：电阻1001M;电容100pF10000pF。(2)测量精度：5%。(3)选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。(4) 利用Protel 软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单。目录1.设计要求22.方案比较与论证22.1电阻、电容测试仪设计方案的比较22.2方案论证33.系统原理和参数计算33.1系统原理33.2参数计算53.2.1电阻测量电路53.2.2电容测量电路54.电路的工作原理54.1 555定时器简介54.2 电阻测试电路74.3 电容测量电路84.4 多路选择开关设计94.5 89C51单片机电路104.6 发光二级管接口电路124.7 LED显示接口电路134.8 电路总原理图155.总结166.系统需要的元器件清单16参考文献17Word 资料 .绪论随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中本设计常常要测定电阻，电容的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，有极大的现实必要性。由于测量电阻，电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。电阻和电容的测量是采用555多谐震荡电路产生的，定时器可以利用外部的时钟源来计数，这里本设计将RC的测量电路产生的频率作为单片机的时钟源，通过定时和计数可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。本系统是通过16位单片机89C51测量电阻、电容对应震荡电路所产生的频率实现各个参数的测量，一方面可以提高测量精度，另一方面便于使仪表实现自动化，而且还能加入语音播报的功能使其更加智能化。 关键词：单片机，555多谐振荡电路，LED动态显示模块，电容三点式振荡2.方案比较与论证2.1电阻、电容测试仪设计方案的比较电阻、电容测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和比较法，使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前对各种方案进行了比较：1)利用纯模拟电路虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。 2)可编程逻辑控制器(PLC) 应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。 3)采用CPLD或FPGA实现应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。4)利用振荡电路与单片机结合利用555多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。容易构成各种规模的应用系统，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。综上所述，利用振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本次设计选定以单片机为核心来进行。2.2方案论证测量电子元器件集中参数R、C的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点，一般的测量方法都存在计算复杂、不易实现自动测量而且很难实现智能化。在这里本设计着重要介绍的是把电子元件的参数R、C转换成频率信号f，然后用单片机计数后再运算求出R、C，并送显示，转换原理是RC振荡，这样就能把模拟量近似转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化的处理便于使仪表实现智能化。方案中用到的单片机是16位单片机89C51，由于该CPU具有丰富的I/O口和丰富的时基信号，为本设计提供了极大的方便，其中可以利用I/O口置高低电平来实现量程的转换，由于单片机89C51的定时器可以通过外部时钟源来计数，本设计便可以将555电路产生的频率作为89C51的定时器的时钟源，这样就很容易得到被测R/C对应产生的频率。而且89C51具有语音处理功能，本设计在显示的基础上还可以加入语音播报，使得整个测量过程更加智能化。同时89C51还具有可编程性，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。3.系统原理和参数计算3.1系统原理系统分三大部分：测量电路、通道选择和控制电路，如下图所示。被测电容RC振荡电路振荡电路多路选择开关CD4052被测电阻RC振荡电路振荡电路单片机二极管指示数字显示语音播报f0f0量程切换Addrdr测量频率控制部分通道选择测量电路图1 系统设计框图框图各部分说明如下：1)控制部分：本设计以单片机为核心，采用89C51单片机，利用其管脚的特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和LED显示功能等。LED灯：本设计中，设置了1盏电源指示灯，采用红色的LED以共阳极方式来连接，直观易懂，操作也简单。数码管显示：本设计中有1个74HC02、2个74LS573、1个2803驱动，采用共阳极方式连接构成动态显示部分，降低功耗。键盘：本设计中有Sr，Sc，SL三个按键，可灵活控制不同测量参数的切换，实现一键测量。2)通道选择：本设计通过单片机控制CD4052模拟开关来控制被测频率的自动选择。3)测量电路：RC震荡电路是利用555振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数频率化。通过51单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。3.2参数计算3.2.1电阻测量电路555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为： （1）得出： （2）即： （3）3.2.2电容测量电路555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为： （4）得出： （5）即： （6）4.电路的工作原理4.1 555定时器简介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，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。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电路,其内部结构如图2所示。图2 定时器内部结构它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5K的等值电阻串联而成。分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放、组成。高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器RD端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态受比较器的、输出端控制。4.2 电阻测试电路电阻的测量采用“脉冲计数法”，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。电路分为2档：1、100Rx1000 ：闭合开关Srd,R2=330,C2=0.22uF： （7）2、1000Rx 1M ：闭合开关Srg,R1=20K,C3=103pF： （8）电阻测试电路见图3所示。图3 电阻测量电路4.3 电容测量电路电容的测量同样采用“脉冲计数法”，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。电路分为1档：R4=510K,R4=R6； （9）电容测试电路见图所示。图4 电容测量电路4.4 多路选择开关设计利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是差分四通道数字控制模拟开关器件，有A0和A1两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1所示。表1 多路选择开关控制P1.4P1.3测量类别00Y0-R01Y1-C10Y2-L11未定义多路选择开关硬件电路如图5所示。图5 多路选择开关4.5 89C51单片机电路在本设计中，考虑到单片机89C51构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。另外，本设计还需要利用单片机的定时计数器、中断系统、串行接口等等，所以，选择以单片机89C51为核心进行设计具有极大的必要性。单片机89C51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