简易电阻电容电感测量仪.docx

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简易电阻电容电感测量仪

重庆三峡学院

课程设计实训报告

设计题目：

简易电阻电容电感测量仪

学院<系）：

应用技术学院

年级专业：

08电子信息项目<仪器）

学号：

2

学生姓名：

谭情生

指导老师：

陈强

完成时间：

2018年11月30日

0．引言3

1.系统设计3

1.1设计要求3

1.2方案比较3

1.2.1电阻测量方案3

1.2.2电容测量方案5

1.2.3电感测量方案5

1.2.4显示方案7

1.3方案论证7

1.3.1总体思路7

1.3.2设计方案8

2.单元电路设计8

2.1电阻测量电路8

2.2　电容测量电路9

2.3电感测量电路10

2.4液晶显示电路10

3.软件设计11

3.1程序流程11

4.系统测试11

4.1测试仪器与设备11

4.2指标测试12

5结论13

6心得体会13

参考文献：

13

附录1仿真原理图14

附录2PCB原理图14

附录3PCB图16

附录4部分程序清单17

0.引言

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。

在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。

纵览目前国内外的RLC测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，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RLC的过程中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RLC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，价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的RLC测试仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能RLC测试仪，人机界面友好、操作方便的智能RLC测试仪，具有十分重要的意义。

本系统是用振荡电路把RLC的参数转换成频率，再用单片机计算频率，然后对其值进行补偿后再显示RLC的值，所以用起来非常方便而且价格便宜、精确度高，测量误差保持在%5以内。

1.系统设计

1.1设计要求

基本要求

a.测量范围：

电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。

b.测量精度：

±5%。

c.制作数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。

发挥部分

a.扩大测量范围。

b.提高测量精度。

c.测量量程自动转换。

1.2方案比较

1.2.1电阻测量方案

相位测量方案的关键问题是电阻测量方法的选择。

方案一：

串联分压原理

图1串联电路原理图

根据串联电路的分压原理可知，串联电路上电压与电阻成正比关系。

通过测量Rx和R0上的电压。

由公式Rx=Ux/（U0/R0>，如图1所示。

方案二：

利用直流电桥平衡原理的方案

图2平衡电桥

图2所示的平衡电桥<其中R1，R2，为可变电位器，R3为已知电阻，R4为被测电阻）根据电路平衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。

由R1*R4=R3*R4.在通过测量电位器电阻值，可得到R4的值。

方案三：

利用555构成单稳态的方案

图3555定时器构成单稳态测电阻电路

根据555定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻阻值，如图3所示。

由f=1/[（R1+2R2>*C*In2]得到公式：

R2=1/2*[1/（f*c*Ln2>-R1]

上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比较而言，方案三还是比较符合要求的，因为是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。

故本设计选择了方案三。

1.2.2电容测量方案

方案一：

直接通过串联路原理。

通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通过测量电压值，再经过公式换算得到电容的值。

原理同电阻测量的方案一。

方案二：

交流电桥平衡原理<原理图同图2）

通过调节Z1,Z2使电桥平衡。

这时电表的毒水为零。

通过读取Z1,Z2，Zn的值，即可得到被测电容的值。

方案三：

555构成单稳态原理

图4555定时器构成单稳态测电容值电路

根据555定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电容值，如图4所示。

由f=1/[（R1+2R2>*C*In2]

得到公式：

Cx=1/[c*Ln2（R1+2*R2>]

综合以上设计方案的优缺点，本设计采用方案三。

1.2.3电感测量方案

方案一交流电桥测量<原理同电容测量方案二）

方案二电容三点式构成正弦波原理

图5电容三点式

电容三点式的原理图如图5所示，根据电容三点式公式

从而可得电感的计算公式

方案三谐振法测量

图6谐振法测量

用阻抗法测电阻、电容、电感有两种实现方法：

用横流源供电，然后测元件电压，如图6所示；用横压供电，然后测元件电流。

因为很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。

1.2.4显示方案

方案一：

采用点阵式液晶显示器

用如图7所示的液晶显示器作为系统的显示部分，具有硬件设计简单、编程容易、节省系统时间等诸多优点。

图71602液晶显示器

方案二：

采用发光二极管

LED显示器是由发光二极管组成的显示字段的器件。

通常的八段LED显示器是由八个发光二极管组成<包括小数点）。

因为led只能显示简单的数字与简单的特殊字符，基于本设计题目要求，需要显示的测量量多，而且测量的量程范围大，明显led无法方便明了的显示，所以本设计采用的是lcd1602液晶显示，1602具有低功耗节能的作用，而且能够更好的显示出我们所需要的测量显示。

1.3方案论证

1.3.1总体思路

本设计是基于单片机AT89C52智能处理，根据单片机的外接按键控制测量电路的选择，通过NE555定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式构成的振荡电路长生的一定频率的波。

再通过单片机的I/O口对高低电平的捕获读出频率，再通过程序算法处理换算成电阻电容电感的值，然后再通过单片机送给1602液晶显示。

RLC简易测量仪设计的关键问题是：

如何完成RLC的测量。

RLC简易测量仪设计的核心问题是：

如何产生转化电路输出频率。

1.3.2设计方案

系统方框图如图8所示。

图8系统方框总图

2.单元电路设计

简易电阻电容电感测量仪功能：

测量并显示被测电阻电容电感的值。

简易电阻电容电感测量仪所需器件：

ne555定时器，8015，三极管，1602液晶显示，单片机AT89S52。

图9测量原理框图

2.1电阻测量电路

电阻的测量采用“脉冲计数法”，如图10所示由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。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

T=t1+t2=

得出：

即：

电路分为2档:

1.100≤Rx<1000欧姆：

IOA5设置为高电平输出，IOA7设为低电平输出；

2.R2=200欧姆；C2=0.22uF；

3.Rx=（6.56*（1e+6>>/（2*fx>-330/2

4.对应的频率范围为：

2.8K≤fx<16K

5.1000≤Rx<1M欧姆：

IOA6设置为高电平输出，IOA8设为低电平输出。

6.R1=20k欧姆；C1=103PF；

7.Rx=（1.443*（1e+8>>/（2*fx>-（1e+4>

图10电阻测量电路

2.2　电容测量电路

电容的测量同样采用“脉冲计数法”，如图11所示由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。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

T=t1+t2=

我们设置R1=R2。

得出：

即：

电路分为2档:

R1＝510K欧姆：

IOA10设置为高电平输出；

R4=R6；

Cx=（0.94*（1e+6>>/fx。

对应的频率范围为：

9.4K≤fx<0.94KR1＝100K欧姆：

IOA9设置为高电平输出；R5=R6；

Cx=（4.81*（1e+6>>/fx。

对应的频率范围为：

480Hz≤fx<4.8K

图11电容测量电路

2.3电感测量电路

　　电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。

三点式电路是指：

LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路，如图12所示。

得出：

即：

Lx=（38*（1e+6>>/f02

图12电感测量电路

2.4液晶显示电路

图13液晶显示仿真电路

3.软件设计

3.1程序流程

在本设计中，采取的是以AT89C52单片机为控制核心，在程序中，涉及到按键的选择，频率的计数，量程的切换，将频率转换成所要求的参数，以及将所计算出得参数，送到LCD显示等等。

所以，软件的编写变得尤其主要。

开始工作的时候，初始化系统，LCD显示“WELCOME”。

图14系统流程图

4.系统测试

4.1测试仪器与设备

双通道示波器，数字示波器，万用表，单片机最小系统，函数信号发生器proteus仿真软件，keil单片机编程软件，multisim仿真软件。

4.2指标测试

首先按照电路图连接好电路，首先选择好测量电阻电路：

1、调节滑动变阻器，测量不同阻值的电阻产生的多谐振荡脉冲波的频率。

将结果记录下表1中。

表1

电阻标值

万用表读数

本仪表读数

相对误差%

430Ω

429Ω

417Ω

3.00

2.4KΩ

2.36KΩ

2.32KΩ

1.69

47KΩ

47.3KΩ

46.8KΩ

1.05

100KΩ

97.9KΩ

96KΩ

1.94

220KΩ

217KΩ

213KΩ

1.84

1MΩ

0.993MΩ

0.965MΩ

2.81

误差分析：

相对误差计算公式：

×100％

2、替换不同电容，测量不同电容产生的多谐振荡脉冲波的频率。

将结果记录表2中。

表2

电容标值

万用表读数

本仪表读数

相对误差%

33uF

28.3uF

28.8uF

1.76

100uF

101.4uF

99.0uF

2.36

680uF

621uF

585uF

5.79

30pF

31pF

29pF

6.45

3、替换不同电感，测量不同电感产生的震荡波的频率。

将结果记录表3中。

表3

电感标值

本仪表读数

1mH

9.8mH

4、利用函数信号发生器产生一定频率有效值为4V的正弦波输入单片机，按键测试液晶显示的数值，并记录表中。

5、各分立电路级联测试，测量电阻电容电感时直接在液晶上分别显示设计装置得到的电阻电容电感的值。

5结论

经过团队的几天的不懈努力，终于将电阻电容电感简易测量仪制作完成，本设计完成了设计要求基本部分的全部要求，发挥部分大部分要求。

整个装置电路简单，测量可靠，稳定性好，使用继电器控制开关实现一定智能化，使用液晶显示，使显示更加明朗清晰，而且编写程序容易硬件电路也相对简单。

6心得体会

通过本次实训，我对本专业4年所学知识进行了一个比较系统的复习和总结，收获了很多以前并没有在意的东西，体会到能做一个系统是多么的不容易，不是一天两天就能做出来的，是在一天一天的学习和尝试中做出来的。

以前都是几个同学一组做一个比较简单的东西，但是收获的东西也是有限的，而本次综合实训全班同学做一个题目，感觉是简单了，把一个任务交给二三十个人来做，每个人需要做的只是非常少的一点点任务，可刚好是这个原因导致班上大多数人有了依赖思想，在以后的工作中我应该避免这种事情的发生。

对于大学毕业设计以前最后一次实训，我是非常珍惜和努力的，在找工作的剩余时间里，我抓紧一切时间来搞这个，终于算做完了。

参考文献：

[1]黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]，北京：

北京航空航天大学出版社，2006年.

[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.第一届<1994年）～第六届<1999）全国大学生电子设计竞赛题目[M]，北京：

北京理工大学出版社，2000年.

[3]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001>[M]，北京：

北京理工大学出版社，2003年.

[4]童诗白，华成英，模拟电子技术基础.高等教育出版社。

2006.5第四版

[5]阎石，数字电子技术基础.高等教育出版社2006.5第五版

附录1仿真原理图

附录2PCB原理图

附录3PCB图

附录4部分程序清单

#include

#include"delay.h"

#include"R_measure.h"

#include"C_measure.h"

#include"L_measure.h"

sbitLEDR=P1^0。

sbitLEDC=P1^1。

sbitLEDL=P1^2。

uchartimecount。

voidmain（>

{

TMOD=0x15。

TH0=0。

TL0=0。

ET0=1。

ET1=1。

TR1=1。

TR0=1。

while（1>

{

flag=0。

timecount=0。

T0count=TH0=TL0=0。

LEDR=LEDC=LEDL=LEDRD=0。

if（KEYR==0>

{

delay（5>。

if（KEYR==0>

{

LEDR=1。

LEDC=LEDL=0。

R_measure（>。

LEDR=0。

}

}

flag=0。

timecount=0。

T0count=TH0=TL0=0。

LEDR=LEDC=LEDL=LEDRD=0。

if（KEYC==0>

{

delay（5>。

if（KEYC==0>

{

LEDC=1。

LEDR=LEDL=0。

C_measure（>。

LEDC=0。

}

}

flag=0。

timecount=0。

T0count=TH0=TL0=0。

LEDR=LEDC=LEDL=LEDRD=0。

if（KEYL==0>

{

delay（5>。

if（KEYL==0>

{

LEDC=LEDR=0。

LEDL=1。

L_measure（>。

LEDL=0。

}

}

}

}

voidtime0（>interrupt1//计数器1

{

T0count++。

}

voidtime1（>interrupt3//定时器2

{

TH1=（65536-50000>/256。

TL1=（65536-50000>%256。

timecount++。

if（timecount==20>

{

TR0=0。

TR1=0。

timecount=0。

flag=1。

}

}