一、设计任务及要求(一)要求: 1. 掌握电子系统方案设计的基本原理和方法，比较应用方案，论证方案，测试工作原理 系统整体方案设计采用核、测试方案论证、测试仪器选择、数据分析、系统总结等方法；2. 具有设计单元电路的能力；3. 具有应用相关电子设计工具软件的能力，实例设计可以使用相应的软件；4. 具有基于硬件平台进行电子系统综合调试的能力，能够实现一些基本功能； (2)设计内容: (1)设计并制作数字显示的电阻、电容和电感测试仪。（2）要求①测量范围：电阻1000Ω~1MΩ，电容 100pF~1uF，电感 100uH~10mH；② 测量精度如下：±5%；③ 用 LCD 显示显示器的价值；④ 其他功能；二、方案设计和论证电阻、电容、电感测试仪设计目前可实现多种方案，例如，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实现相结合等。在设计前本文对各种方案进行了比较:(1)电阻测量方案方案一：串联分压原理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。在设计之前，本文比较了各种方案：（1）电阻测量方案1：根据串联电路的分压原理，串联电路上的电压与电阻成正比。通过测量Rx和RO上的电压。由公式Rx=Ux/(U0/R0)。 方案二:利用直流电桥平衡原理的方案 图2电桥(其中R1 , R2 ,河电位器, R三是已知电阻， R根据电路平衡原理，不断调整电位器，使电表指针指向中间。由R1R4= R3R4.可以通过测量电位器的电阻值来获得 到R4的值。 方案三:555构成单稳态的方案 图3 555定时器根据555定时器555定时器形成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平获得频率，通过公式转换获得电阻值。f= 1/ [(R1 2RX)CIn2] ,得到公式:RX= 1/2*[1/ (fcLn2)-R1]从测量精度要求来看，上述三种方案是案例- -与数字化相比，测量精度极差，案例需要测量的电阻值多，测量调整麻烦，操作难度大， 方案三???是比较符合要求的,于是通过单片机读取转化,精确度会明显的提高。因此，本设计选择了方案三。 (2)电容测量方案1:直接通过串联路原理。电容值通过电容转换的容抗与已知电阻分压，测量电压值，然后通过公式转换得到。原理与电阻测量方案一相同。方案二:交流电桥平衡原理(原理图同图2)通过调整Z1,Z平衡电桥。此时电表毒水为零。通过读取Z1,Z2 , Zn被测电容的值可以得到。方案3:555构成单稳态原理 图4 555定时器根据555定时器555定时器形成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平获得频率，通过公式转换获得电容值。由f= 1/[(R4 2R7)CIn2]公式：Cx=1/ [cLn2 (R4 2R因此，本设计采用方案三。 (3)电感测方案1:交流电桥测量(原理与电容测量相同)案例2:电容三点构成正弦波原理 图5电容三点测频率的计算公式:相比之下，案二的精度远高于方案一 ,而且很容易实现，所以选择方案(4)显示方案1:使用点阵液晶显示器(LCD)显示。方案二:采用发光二极管(LED)显示。由于led只能显示简单的数字和简单的特殊字符，根据设计主题的要求，需要显示大量的测量，测量范围大，明显led显示不方便，所以本设计采用了LCD1602液晶显示, 1602具有低功耗、节能的功能，能更好地显示我们需要的测量显示。 图6 1602显示电路 (5)方案论证本设计以单片机为基础AT89S52智能处理，根据单 通过外部按钮控制测量电路的选择，ne由555定时器组成的多谐振荡器和电容反馈三点组成的振荡电路长生波。然后通过单片机I/O捕获和读取高低电平的频率，然后通过程序算法转换为电阻电容电感值，然后通过单片机发送到1602液晶显示器。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??核心问题是如何产生转换电路的输出频率。三、硬件电路设计经过对题目要求的分析首先设计四个模块：交通灯控制主程序模块、分频模块、动态扫描模块和数码管显示模块。1.系统方框总图 2.单元电路设计简单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:LM555定时器，s9013三极管，CD4052，LCD1602液晶显示，单片机STC89C52RC等。 2.1.电阻测量电路 图8电阻测量电路电阻测量采用 脉冲计数法， 多谐振荡电路由555电路组成，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。其振荡周期为：T=t1 t2=(In2)(R1 Rx)C1 (In2)RxC1得出:即: 2.2.电容测量电路 图9数电容测量电路电容的测量同样采用“脉冲计数法”, 如下图所示，由555电路组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以多谐振荡器的形式连接，振荡周期为：T=t1 t2=(In2)(R4 R7)Cx (In2)R4Cx我们设置R4=R7; 2.3.电感测量电路 图10电感测量电路电感测量采用电容三点振荡电路实现。三点电路是指：L C此外，电路中与发射极相连的两个电抗元件必须具有相同的性能 当与发射极相连的两个电抗元件同为电容时，一个电抗元件必须是异性的三点电路，成为电容三点电路。 2.4.液晶显示电路 图11液晶显示电路通过CD电阻、电容、电感电路产生的脉冲送到单片机定时器T1口P3.4，把定时器T1设置为计数模式，每次溢出变量加1，定时器T0设置为计时模式，计时1秒到达，关闭T通过程序读取1计数器T1溢出次数，然后将溢出次数乘以65536获得的值作为定时器产生的频率，将频率代入公式，获得相应元件的电阻值，并通过调用LCD驱???函数使得LCD显示相应元件的值。2.5、按键电路 图12按键模块 图13单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路和扩展部分组成。这个最小系统中的电源模块可以通过计算机供电USB口供也可以使用外部稳定的5V供电模块。单片机复位电路的原理是单片机复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续超过两个机器周期时，复位是有效的。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算时间常数。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常，一个系统共用一个晶体振动，以保持各部分的同步。一些通信系统的基频和射频使用不同的晶体振动，并通过电子调节频率保持同步。2.8自动换档电路 图14自动换档电路使用四个继电器切换电阻、电容器和电感。默认情况下，当电阻按钮开始测量电阻时，连接到电阻档；然后按下电容测量按钮21和22这两个继电器的3引脚从常闭端到常开始切换到电容器档；最后，按下电感器档时，启用另一组继电器23和24继电器线圈吸合到电感档。4.软件设计1。流程图15(2)源代码(完整程序附件2)(1)LCD1602驱动程序//void lcd_write_com(uchar com){ E=0; RS=0; RW=0; delay_us(); LCD_data=com; E=1; //高脉冲写入数据 delay_us(); E=0;}//void lcd_write_dat(uchar dat){ E=0; RS=1; RW=0; delay_us(); LCD_data=dat; E=1; //高脉冲写入数据 delay_us(); E=0;}void lcd_init() //lcd初始化{ delay_ms(15); lcd_write_com(0x38); delay_ms(10); lcd_write_com(0x0c); lcd_write_com(0x06); lcd_write_com(0x01); delay_ms(2); } void lcd_display(uchar add,uchar dat) //lcd显示(地址，数据）{ lcd_write_com(add); lcd_write_dat(dat); delay_us();} (3)量程转换程序if(timer0==20) { timer0=0; TR1=0; //关闭计数器 TR0=0; ET0=0; ET1=0; EA=0; cnt=TL1 TH1256 f_cnt65536; correct(); if(!R) { cnt1=(1000000/(0.20.693cnt)-165)/2.3; } else if(!C) { cnt1=1000000000/(0.753510cnt); } else if(!L) { cnt1=(1e 9)/(43.143.14cntcnt0.05); } timer0=0; a7=cnt1000000/1000000; a6=cnt100000/100000; a5=cnt10000/10000; a4=cnt1000/1000; a3=cnt100/100; a2=cnt10/10; a1=cnt1; flag=1; TH1=0; TL1=0; TH0=0x3c; TL0=0xb0; cnt=0; f_cnt=0; EA=1; TR1=1; ///打开计数器 TR0=1; ET0=1; ET1=1; } 5.模拟过程和模拟结果1.打开模拟过程Proteus 8 Professional 模拟图按原设计原理绘制，完成后，双击单片机写入预编程序.HEX文件，然后在测量电阻、电容和电感电路时更换主题要求的测量电阻、电容、电感，然后点击开始系统进入模拟运行状态。然后按下电阻或电容或电感按钮，等一会儿LCD1602显示被测元器件的值，经检验所显示的值基本满足精度要求。然后按下电阻或电容或电感按钮，等一会儿LCD1602显示被测元件的值，经检验显示的值基本满足精度要求。模拟图如下:(1)系统模拟图16系统模拟 2.模拟结果被烧录.HEX文件完成后，在测量电阻、电容和电感电路时更换主题要求的测量电阻、电容和电感，然后点击开始系统进入模拟运行状态。然后按下电阻或电容或电感按钮，等一会儿LCD1602显示被测元件的值(放入待测1K、10K、100K电阻LCD显示1017R、10156R、101454R，计算误差分为1.7%、1.56%、1.454%）；（放入待测103、104电容LCD显示10033PF、104793PF，经过计算误差分别为0.33%、4.793%、）；经检验所显示的值满足精度要求。六、安装与调试烧录完.HEX文件之后，然后在测量电阻、电容、电感电路换上题目要求的被测电阻、电容、电感，之后点击开始系统进入仿真运行状态。接着按下电阻或者电容或者电感按键，稍等片刻后LCD1602显示被测元器件的值，这时发现测量出来的误差值比实际仿真误差值大，这时选择采用软件来修正误差。（放入待测1K、10K、100K电阻LCD显示1017R、10156R、101454R，经过计算误差分别为1.7%、1.56%、1.454%）；（放入待测103、104电容LCD显示10033PF、104793PF，经过计算误差分别为0.33%、4.793%、）；（放入待测电感100uH、10mH接着按下测量按键LCD屏幕显示102uH、10.115mH，经计算误差分别为2%、1.15%）。6.1、用软件补偿后的电阻测量值电阻参数（千欧）0.11.01010050010000.330参数测试仪测试值0.111010050010000.330自制仪器测试值0.1031.01710.156101.454522.0541045.0510.346 6.2、用软件补偿后的电容测量值电容参数（PF）10050010005000100001000001000000参数测试仪测试值10050010005000100001000001000000自制仪器测试值1045211013520210033104793971459 6.3、用软件补偿后的电感测量值电感参数100uH470uH1mH10mH参数测试仪测试值100uH470uH1mH10mH自制仪器测试值102uH485uH1.23mH10.115mH 图17实物调试6.4、分析经过软件的补偿修正之后,误差基本控制在5%之内,因此满足实验要求。七、结论与心得这次的实验虽然硬件上不难，但是理论上的知识确实学到了不少，首先，在测电容及电阻的大小时，深入学习了555定时器，用原理上分析出具体各个阻值应设多少，同时用multisim软件不断模拟，找到最合适的电阻值。在测电感电路中，由于刚学习了通信电路这一课程，刚讲过电容三点式测电感的方法，于是我首先想到了这个方法。但是具体实现的时候也并不是很顺利。一开始R3的阻值设为2k，结果后面出来的波形是首先快速起振，起振后，达到稳定，但是稳定之后，电压值越来越小，最后又变为零，变为零之后再次起振，如此循环下去。因此最后经过比较器之后，出来的方波是间歇型的。这样虽然通过软件的方法也能实现，但是这样就与电阻电容的频率不一致。无法实现软件上的统一。对于这个问题，我翻了模电，通信电路这两本书，不断看这部分知识，后来分析出来Re的阻值对于后来起振影响非常大。于是我就不断的用multisim软件模拟，最后我们将R3改为1K，此时由于电阻减小，使得le，lb的电流增大，加大了热噪声，从而使得起振速度大大提高，起振时间减小，比较出来的方波便没有间歇性了。这样就与测电阻，电容出来的频率ng8致了，便于软件的统一实现。最后感谢同学及老师提供的帮助与指导。 八、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获奖作品汇编:第一届~第五届/全国大学生电子设计竞赛组委汇编一北京:北京理 工大学出版社2004.8[3]国大学生电子设计竞赛获奖作品选编/全国大学生电子设计竞赛组委汇编.一北京:北京理工大学出���社, 2010.7[4]耿永刚.单片机C51应用技术.[M]北京:电子工业出版社.2011.6[5]谢辉单片机原理及应用.[M]北京:化学工业出版社2010.8