電感、電容、電阻參數(shù)測試儀便捷化、小型化的研制

李林倬 車蔚俊 納尊

【摘 要】本設(shè)計是以MCS-51單片機為核心，使用對應(yīng)的振蕩電路轉(zhuǎn)化為頻率實現(xiàn)電阻，電容，電感三個參數(shù)的測量。其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的，而電感則是根據(jù)電容三點式產(chǎn)生的，將振蕩頻率送入AT89C52的計數(shù)端，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出被測參數(shù)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計是以Keil51為仿真平臺，使用C語言與匯編語言混合編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

【關(guān)鍵詞】單片機，555多諧振蕩電路，LED動態(tài)顯示模塊，電容三點式振蕩

【中圖分類號】TM53【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0400-02

【基金項目】 本文為《大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目》 項目編號：0205-02010008，指導(dǎo)老師：趙波、郝武幫。

1、設(shè)計的背景及意義

目前，常見的高精度L、C、R電橋均采用阻抗—矢量電壓測量L、C、R參數(shù)。通常這些儀器都設(shè)置了高精度差動放大器、精密鑒相電路、高性能的濾波器、比較器、積分器、高分辨率的雙斜式A/D等一系列功能電路。因正弦信號源直接影響測量精度，所以在正弦電路中均采取了一系列穩(wěn)頻、穩(wěn)幅和降低失真的措施[1]。雖然這類儀器的精度較高，但整個儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對元器件要求高，選配和調(diào)試?yán)щy，生產(chǎn)成本高，體積較大，需220VAC供電等，使其推廣受到限制。

本設(shè)計開發(fā)的這測試儀采取阻抗—相角法測量L、C、R參數(shù)。這測試儀以MCS—51單片機[2]為核心，采用過零鑒相填充計數(shù)法[3]進行測相，由程序控制定時實測正弦信號頻率，從而大大降低了儀器對正弦信號電路的要求，故不必像阻抗—矢量電壓法儀表那樣對正弦發(fā)生電路采取專門的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻措施。儀器采用自行設(shè)計的低成本、高精度測相電路和正弦發(fā)生電路，并由程序控制定時實測正弦信號頻率，采用多次測量中值濾波等，既保證了儀器的精度，又降低了儀器的生產(chǎn)成本，適應(yīng)了普通測量的需要。

新型R、L、C測試儀設(shè)計的創(chuàng)新點：成本低、體積小、便于攜帶、測試方便、雙電源模式。

2、系統(tǒng)的原理框圖

本設(shè)計中，考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用MCS -51系列的單片機為核心來實現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀的控制[4]。系統(tǒng)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(guān)送兩位地址信號，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2-1如下所示。

框圖各部分說明如下：

1）控制部分：本設(shè)計以單片機為核心，采用AT89C52單片機，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈：本設(shè)計中，設(shè)置了1盞電源指示燈，采用紅色的LED以共陽極方式來連接，直觀易懂，操作也簡單。數(shù)碼管顯示：本設(shè)計中有1個74HC02、2個74LS573、1個2803驅(qū)動和6個數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動態(tài)顯示部分，降低功耗。鍵盤：本設(shè)計中有Sr，Sc，SL三個按鍵，可靈活控制不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量。

2）通道選擇：本設(shè)計通過單片機控制CD4052模擬開關(guān)來控制被測頻率的自動選擇。

3）測量電路：RC震蕩電路是利用555振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電容頻率化。電容三點式振蕩電路是利用電容三點式振蕩電路實現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化。通過51單片機的I/O口自動識別量程切換，實現(xiàn)自動測量。

3、電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 MCS—51單片機電路的設(shè)計

在本設(shè)計中，考慮到單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)。另外，本設(shè)計還需要利用單片機的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機為核心進行設(shè)計具有極大的必要性。在硬件設(shè)計中，選用MCS-51系列單片機，其各個I/O口分別接有按鍵、LED燈、七位數(shù)碼管等，通過軟件進行控制[5]。

MCS-51單片機包含中央處理器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時/計數(shù)器、并行I/O口、串行口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。

3.2 測量電阻電路的設(shè)計

由于555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器[6]。電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。

555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：

參考文獻

[1] 邱關(guān)源主編.電路[M].4版.高等教育出版社，2009

[2] 張毅剛.MCS—51單片機應(yīng)用系統(tǒng)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997

[3] 余孟嘗主編，清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].3版.高等教育出版社，2010

[4] 楊素行主編，清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].3版.高等教育出版社，2006.5

[5] 李廣弟，住越秀，冷租祁.單片機基礎(chǔ)[M].3版.北京航空航天大學(xué)出版社，2007.6