隨著電子工業(yè)的發(fā)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的大小。因此,設計可靠,安全,便捷的電阻阻值測量電路具有極大的現(xiàn)實必要性。
該電路設計是以單片STC89C52為核心,通過恒流源模塊,555多諧振蕩電路,LCD顯示模塊實現(xiàn)了電阻在大范圍內(nèi)測量,并且能在測量量程為 10Ω、1kΩ、10kΩ、1MΩ四檔中自由切換。
通常情況下,電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進行測量。
電阻測量依據(jù)產(chǎn)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。
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(shù)轉(zhuǎn)化為頻率,這里我們將測量電路產(chǎn)生的頻率送入AT89S52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各個參數(shù)。
1.2本設計所做的工作設計要求:電阻測量范圍10Ω到1MΩ,精度5%,4位顯示。
本設計是以555為核心的振蕩電路,將被測參數(shù)模擬轉(zhuǎn)化為頻率,并利用單片機實現(xiàn)計算頻率,所以,本次設計需要做好以下工作:
(1)學習單片機原理等資料。
(2)設計測量電阻的振蕩電路。
(3)設計LCD電路。
(4)設計測量頻率程序,設置程序。
(5)安裝和調(diào)試,并進行實際測試,記錄測試數(shù)據(jù)和結(jié)果。
2.電阻阻值測量電路設計的原理2.1電阻測量電路的設計方案利用555多諧振蕩電路將電阻參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率,這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量,一方面測量精度高,另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化,而且單片機構(gòu)成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成各種規(guī)模的應用系統(tǒng),且應用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機具有可編程性,硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn),而且設計時間短,成本低,可靠性高。所以,本次設計選定以單片機為核心來進行。
2.2系統(tǒng)的原理框圖統(tǒng)設計框圖如圖2-1如下所示
框圖各部分說明如下:
1)控制部分:本設計以單片機為核心,采用89C52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LCD顯示功能等。在本設計中,采用LCD1602液晶顯示。
2)測量電路:RC震蕩電路是利用555振蕩電路實現(xiàn)被測電阻頻率化。
3.電阻阻值測量的設計電路3.1單片機電路的設計在本設計中,考慮到單片機構(gòu)成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性,容易構(gòu)成各種規(guī)模的應用系統(tǒng),且應用系統(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計具有極大的必要性。在硬件設計中,選用STC89C52單片機,其LED燈、LCD液晶屏等,通過軟件進行控制。
本設計中單片機的設計電路如下圖3-1所示:
本電路使用單片機內(nèi)部振蕩器,12MHz的晶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(tǒng)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。當需要復位時,也可以按下復位按鍵,進行復位。
3.2測量電阻電路的設計定時器555是一種用途很廣的集成電路,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。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:
得出:
即:
其中R16=1KΩ, R17=1KΩ,C11=0.1uF:
電阻測試電路見圖3-2所示。
P1.0 R測量程序的選擇
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(shù)在數(shù)碼管顯示。
按鍵主流程圖如4-1所示。
圖4-1按鍵主程序流程圖
4.2 主程序流程圖
本設計頻率的計算采用單片機外部中斷 ,對外觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖頻率的測量,再通過對測量數(shù)據(jù)的校正來完成。
單片機對頻率測量的原理如下圖4-3所示。
說明:圖4-3中t1時刻檢測到高電平開定時器1,開始計數(shù);t2時刻等待檢測低電平;t3時刻第二次檢測到高電平時關(guān)定時器停止計數(shù)。
利用GATE=1,TR1=1,只有
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(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案,通過一個集成開發(fā)環(huán)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(tǒng)。
5.2系統(tǒng)測試(1)測試原理:在系統(tǒng)設計中,以STC89C52單片機為核心的電阻測量電路,將電阻使用對應的振蕩電路轉(zhuǎn)化為頻率實現(xiàn)各個參數(shù)的測量。電阻是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的,將振蕩頻率送入STC89C52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)。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)應用軟件;包括主程序模塊、顯示模塊、電阻測試模塊。
(2)測試方法:在測試時將被測參數(shù)通過本系統(tǒng)測量出來的示值與參數(shù)的標稱值進行對比,進而可以知道本系統(tǒng)的測試精度。
(3)測試儀器:示波器,萬用表,穩(wěn)壓電源,計算機。
(4)測試結(jié)果:通過按鍵,實現(xiàn)其按鍵所對應的功能,并觀察測試結(jié)果,對設計進一步的進行校正和對實現(xiàn)功能的可靠性的確認,并記錄觀察結(jié)果。
測試結(jié)果如下:
a)電阻測試數(shù)據(jù)如表5-1所示。
表5-1電阻測試數(shù)據(jù)
標稱值 (Ω) | 振蕩頻率 (Hz) | 系統(tǒng)測量 (Ω) | 相對誤差 (%) |
330 | 6929 | 333 | 0.9 |
200 | 9501 | 205 | 2.5 |
530 | 4981 | 528 | 0.4 |
4700 | 5036 | 4892 | 4.1 |
20000 | 2596 | 19216 | 3.9 |
470000 | 157 | 464683 | 1.1 |
(4)測試分析:在實際測量中,由于測試環(huán)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(jié)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(tǒng)誤差的修正值。在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取合適的修正值很關(guān)鍵,修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關(guān)資料中查;第二種途徑是通過理論推導求。坏谌N途徑是通過實驗求取。
本測試修正值選取主要通過實驗求取,對影響測量讀數(shù)的各種影響因素,如溫度、濕度、電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差。通過對相同被測參數(shù)的多次測量結(jié)果和不同被測參數(shù)的多次測量選取平均值,最后確定被測參數(shù)公式的常數(shù)K值,從而達到減小本設計系統(tǒng)誤差的目的。由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成,所以由振蕩電路產(chǎn)生的被測參數(shù)對應的頻率有一定的誤差,所以只能通過多次實驗測量,選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差。
6 總結(jié)本設計的硬件電路圖簡單,可降低生產(chǎn)成本。采用單片機可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)的體積,調(diào)試和維護方便,而且以STC89C5251單片機最小系統(tǒng)為核心的設計能夠滿足了整個系統(tǒng)的工作需求,555振蕩器實現(xiàn)了被測電阻參數(shù)的頻率化,被測頻率通過模擬開關(guān)送入單片機計數(shù),再經(jīng)過顯示電路顯示被測參數(shù)的測量值,軟件用C語言編程,根據(jù)具體情況控制啟動被測參數(shù)的相應程序,能靈活控制被測參數(shù)的檔位切換。經(jīng)過測試,系統(tǒng)各個模塊都能正常共組,成功地達到了設計的硬件要求。
系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的關(guān)鍵。通過結(jié)合硬件電路,在Keil51的平臺上,使用C語言與匯編語言混合編程編寫了系統(tǒng)應用程序,使程序能夠正常運行,實現(xiàn)了設計的要求。
這次實訓一次非常好的將理論與實際相結(jié)合的機會,通過對電阻測量的課題設計,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(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。
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