第3个回答 2009-05-13
RLC测量电路设计
RLC测量电路设计
摘要: 仪器的发展趋势是向着智能化,智能仪器是近年仪器科学发展的一个重要分支。RLC测量仪是一种以单片机为基础的自动测量电阻R、电感L、电容C等参数的智能元件参数测量仪器。本课题研究的内容是基于单片机RLC测量仪。测量原理采用的是伏安法，伏安法又可分为固定轴法和自由轴法。由于固定轴法对硬件的要求很高而且存在同向误差，故本课题采用自由轴法测量。课题的研究分为硬件电路设计和软件程序编制两个部分。在硬件方面，我们采用单片机控制电路；软件方面，我们采用汇编语言控制。
关键字：RLC测量, 电阻R, 电感L, 电容C.
Abstract: With the developing of instrument science, instruments are getting more intelligent. Intelligent instrument is an important branch of instrument science and a keen edge of researching. RLC elemental meter is a kind of intelligent instrument used to measure elemental parameter such as resistance R, inductance L, capacity C and so on. In this paper, we made a virtual RLC elemental meter based on MCS. The paper includes two parts, one is the designing of hardware circuit ，the other is the programming .We used of MCS to control in the designing of hardware; And we used of advanced language to control in the software.
Key words: RLC elemental meter, Resistance R, Inductance L, Capacity C.
目录
第一章. 绪论
1.1 RLC测量定义
1.2 基于单片机智能测量系统的特点及应用
1.3 RLC测量仪器的发展和现状
第二章．单片机概述
2.1 什么叫单片机
2.2 单片机的特点
2.3 单片机的发展
第三章．单片机的硬件基础
3.1 8051单片机内部逻辑结构
3.2 8051单片机的封装与信号引脚
3.3 单片机的内部存储器
第四章． RLC测量电路设计
4.1 RLC测量系统的总体系统
4.2 局部电路分析
4.3 相关的子程序
第一章. 绪论
1.1 RLC测量定义
RLC测量是控制电路将电阻、电感和电容的值转换成不同频率的电信号，所得的电信号再通过控制电路处理,经过显示器件将其表示出来，成为模拟信号，所得的模拟信号即为电阻、电感和电容的实际值的大小。
1.2 基于单片机智能测量系统的特点及应用
基于单片机测量系统的RLC测量仪与传统的RLC测量仪相比，具有智能性高，人机界面友好、操作方便，体积更小、功能强大、便于携带等特点。该测量系统应用于电阻、电感和电容的测量，其测量范围：R：1Ω~1MΩ，L：1mH~1000mH，C：1000pF~1000uF，可以被广泛应用于电子工业生产所需的元器件参数的测量。
1.3 RLC测量仪器的发展和现状
RLC元件参数测量仪器是用于测量集中参数电阻R、电感L、电容C和品质因数Q等的测量仪器。随着集成电路和微机的普及和发展，元件参数测量仪取得了很大的发展。国内微机化仪器和具有智能化的仪器已有产品出售，但大多属于低档产品，其功能单一、体积较大、精度不高。国外公司如惠普已生产出先进的RLC测试仪器产品，其功能、精度和可靠性均已达到很高的水平，但其价格十分昂贵。
目前，随着集成电路技术和单片机技术的发展，仪器的发展已趋向小型化和智能化。而且采用单片机技术构成的电子系统可以获得传统通用集成电路所无法比拟的优越性：
1． 缩小体积、减轻重量、降低功耗；
2． 提高可靠性。用单片机进行系统集成后，外部连线减少，因而可靠性明显提高；
3． 有利于获得高性能系统。
不同的测量任务对测试系统有不同的要求，一种单片机控制测试系统不可能覆盖整个社会对测量的需求。当今单片机已完全进入科研、企业生产，而基于单片机控制的RLC元件参数测量仪器在过内尚不多见。市场上多为台式机，体积大、价格高。这就为一种体积小、性价比合理的仪器—基于单片机控制的RLC元件参数测量仪器提供了很大的市场潜力。
第二章 单片机概述
2.1 什么叫单片机
所谓单片机就是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM/EPROM）、定时器/计数器和一些输入/输出（I/O）接口电路集成在一块芯片上的微型计算机，又可称之为微控制器（Microcontroller）。
2.2 单片机的特点
单片机的共有特点：①控制功能强；②体积小；③功耗小；④成本低。由于上述优越性能，单片机已在工业工程领域得到广泛应用。特别是，随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法，在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统,可使原来许多电路设计问题转化为程序设计问题。
2.3 单片机的发展过程
单片机的发展非常迅速。70年代中期，Intel公司推出8位单片机MCS-48系列，80年代初又推出高档8位单片机MCS-51系列。这之后 ，Intel公司于1983年推出MCS-51系列单片机，使单片机的发展进入了一个新阶段。MCS-51单片机采用MOS的工艺技术，将12万只以上的晶体管制作在一块约4cm2的集成电路芯片上，构成一种高性能的8位单片微型计算机。它包括如下一些部件：一个中央处理器CPU、片内随机数据存储器（RAM）、定时器/计数器、数字型I/O接口、全双工串行通行接口、监视跟踪定时器（WATCH DOG）、高速输入/输出（I/O）、中断控制逻辑电路、脉宽调制器（PWM）以及时钟信号发生器与反偏压发生器等。
第三章 单片机的硬件基础
3.1 8051单片机的内部逻辑结构
Intel公司推出的8051单片机，典型产品包括8051、8031、8052、8032、8751、8752、8951和8952，其中最为实用的是8051。单片机的内部逻辑结构如下图（3.1）所示：
图（3.1）
1．中央处理器CPU
中央处理器简称CPU（Central Processing Unit）,是单片机的核心，用于完成运算和控制操作。中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。
（1）运算电路
运算电路是单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。图（3.1）中的算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、累加器（ACC）、B寄存器、程序状态字和两个暂寄存器等都属于运算电路。
运算电路以ALU为核心，基本的算术运算和逻辑运算均在其中进行，包括加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较等逻辑运算，“与”、“或”、“异或”等逻辑运算，左、右移位和半字节交换等操作。操作结果的状态由程序状态字（PSW）保存。
（2）控制电路
控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。图（3.1）的程序计数器（PC）、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时控制电路以及振荡电路等均属于控制电路。
单片机执行程序就是在控制电路的控制下进行的。首先从程序寄存器中读出指令，送指令寄存器保存；然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号；再送到系统的各个部件去控制相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，而执行程序就是不断重复这一过程。
2. 内部数据存储器
内部数据存储器包括RAM（128×8）和RAM地址寄存器，用于存放可读/写的数据。实际上8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128个单元为专用寄存器，能作为普通RAM存储器供用户使用的只是前128个单元。因此，通常所说的内部数据存储器是指前128个单元，简称“内部RAM”。
3. 内部程序存储器
内部程序存储器包括ROM（4K×8）和程序地址寄存器等。8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始数据，因此，称之为程序存储器，简称“内部ROM”。
4. 定时/计数器
由于控制应用的需要，8051共有两个16位的定时器/计数器，用定时器/计数器0和定时器/计数器1表示，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。
5. 并行I/O口
8051共有4个8位并行I/O（P0、P1、P2、P3）。以实现数据的并行输入/输出。
6. 串行口
8051单片机有一个全双工串行口，以实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可以作为同步移位器使用。
7. 中断控制电路
8051单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。它共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。
8. 时钟电路
8051芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
9. 位处理器
单片机主要用于控制，需要有较强的位处理能力，因此，位处理器是它的必要组成部分，有些书中也把位处理器称为布尔处理器。
10. 内部总线
上述这些部件通过总线连接起来，才能构成一个完整的计算机系统。芯片内的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的。总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。
3.2 8051单片机的封装与信号引脚
1. 芯片封装形式
8051有40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package）和44引脚方形扁平式QFP（Quad Flat Package）共两种封装形式。其中双列直插式封装芯片的引脚排列及芯片逻辑符号参见图（3.2）
图（3.2）
2. 芯片引脚介绍
● 输入/输出口线
P0.0～P0.7 P0口8位双向口线
P1.0～P1.7 P1口8位双向口线
P2.0～P2.7 P2口8位双向口线
P3.0～P3.7 P3口8位双向口线
● 地址锁存控制信号ALE
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址在和数据的时分传送。此外由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此，可以为外部时钟或外部定时脉冲使用。
● 外部程序存储器读选通信号
在外部ROM时 低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
● 访问程序存储器控制信号
当 (External Access)信号为低电平时，对ROM的读操作是针对外部程序存储器的；而当 信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
● 复位信号REST
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即位有效，用于完成单片机的复位操作。
● 外接晶体引线XTAL1和XTAL2
当使用芯片内部时钟时，XTAL1和XTAL2用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号。
● 地线VSS
● +5V电源VCC
3. 芯片引脚第二功能
随着单片机功能的增强，对芯片引脚的需求不断增加，但由于简化、工艺或标准化等原因，芯片引脚的数目总是有限的。因此，“引脚复用”现象在单片机中十分常见，即给一个引脚赋予两种甚至两种以上的功能。
（1）8051的引脚 复用
8051的引脚复用主要集中在P3口线上。如果把口线固有的I/O功能作为引脚第一功能，那么再定义的信号就是它的第二功能。P3的8条口线都定义有第二功能，其详细介绍如表3.1。
对于有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序必须提供专门的编程脉冲和编程电源。它们也由引脚第二功能的形式提供：
编程脉冲 30脚（第一功能为ALE/ ）
编程电压（25V） 31脚（第一功能为 /VPP）
表3.1 P3口线的第二功能
口线 第二功能信号 第二功能信号名称
P3.0 RXD 串行数据接收
P3.1 TXD 串行数据发送
P3.2 INT0 外部中断0申请
P3.3 INT1 外部中断1申请
P3.4 T0 定时间／计数器0计数输入
P3.5 T1 定时间／计数器1计数输入
P3.6 WR RAM写选通
P3.7 RD RAM读选通
(2)引脚复用不会引起混乱
一个引脚有多种功能，会不会在使用时引起混乱和造成错误呢？不会的，因为第一功能信号与第二功能信号是不同工作方式，因此不会发生使用上的矛盾。例如30和31引脚。另外，P3口线的第二功能信号都是重要的控制信号，在实际使用时总是先按需要优先选用第二功能，剩下不用的才作为口线使用。
引脚表现出单片机的外部特性或硬件特性。硬件设计时用户只能使用引脚，即通过引脚连接组建系统。
3.3 单片机的内部存储器
一般来说，单片机的内部存储器包括数据存储器和程序存储器。80C51单片机的数据存储器共有256个单元，按照功能又把256个单元的数据存储器划分为两部分：低128单元区和高128单元区，如图（3.3）所示
3.3.1 内部数据存储器低128单元区
80C51的内部数据存储器低128单元区，称为内部RAM，地址为00H～7FH。它们是单片机供用户使用的数据存储单元，按用途可划分为如下3个区域。
1. 寄存器区
内部RAM的前32个单元是作为寄存器使用的，共分为4组，组号依次为0、1、2、3。每组有8个寄存器，在组建中按R7～R0编号。这些寄存器用于存放操作数及中间结果等，因此，称为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。4组通用寄存器内部RAM的00H～1FH单元地址。
在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组。至于是哪一组，则由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。
在单片机中，凡是能称为寄存器的都有两个特点：一是可用8位地址直接寻址，使寄存器的读/写操作十分快捷，有利于提高单片机的运行速度；二是在指令中使用寄存器时，既可用其名称表示，也可用其单元地址表示，为使用带来方便。此外，通用寄存器还能提高程序编制的灵活性，因此，在单片机的应用编程中应充分利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。
图（3.3）80C51内部数据存储器配置图
2. 位寻址区
内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可对单元中的每一个位进行操作，因此，把该区称为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，总计128个可直接寻址位，位地址为00H～7FH。位寻址区是为位操作而准备的，是80C51位处理器的位数据存储区。在通常的使用中，“位”有两中表示方式。一种是以位地址的形式，例如，位寻址区的最后一位是7FH。另一种是以存储单元地址加位的形式表示。例如，同样的最后位表示为27H.7，即27H单元的第7位。
3. 用户RAM区
在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩余的80个单元就是供用户使用一般RAM区，其单元地址为30H～7FH。对于用户RAM区，只能以存储单元的形式来使用，此处再没有任何其他规定或限制。
第四章． RLC测量电路设计
4.1 RLC测量系统的总体系统
该测量系统的总统框图如图（4.1）所示：
图（4.1）
该系统主要包括测量电路、通道选择和测控三大模块。
1. 测量电路
测量电路是将通过被测量的电量转换成电流信号。
电阻测量是根据RC振荡电路原理，将单片机P0.0～P0.3端口的脉冲电流和电源经LM555定时器，产生脉冲信号ƒ0，如图（4.2）所示。
图（4.2） 图（4.3）
定时器输出的电信号频率
电阻表达式
电感测量是通过电感与电容形成的三点式振荡电路，将电源直接转换成振荡的脉冲信号ƒ0，因此，电感的测量不需单片机提供脉冲电流，如图（4.3）所示。
振荡电路输出的电信号频率
电感表达式
电容测量和电阻测量一样，都是根据RC振荡电路，将单片机P0.4～P0.6端口的脉冲电流和电源经LM555定时器，产生脉冲信号ƒ0，如图（4.4）所示。
图（4.4）
定时器输出的电信号频率
电容表达式
2. 通道选择
通道选择是通过多路选择开关CD4025来选择测量的量。CD4025检测输入电信号，其输出端接单片机的RD，INTR1和INTR0口，单片机根据这三个端口输入电信号的频率特性，判断测量的量是电阻、电容还是电感。如图（4.5）所示。
图（4.5）
3. 测控部分
测控部分电路由单片机控制电路和数字显示电路组成。单片机对整个系统起着控制的作用，它是通过12MHz晶振对电路起着振荡作用，优如人体的心脏一样在不停的跳动，完成各个机器周期。数字显示电路是通过数码管显示的，它显示该测量量的实际大小值。
4.2 局部电路分析
1. 电源电路
电源电路是将220V交流电通过降压器，将电压降低到9V的交流电，降低后的交流电通过桥式整流二极管，将交流电下半电流调整到上半部分，所得的交流电经过滤波电容，得到较为平整的直流电，由于所得的直流电为近似9V电压，比单片机工作电压和其他IC工作电压要高许多，因此，需要稳压集成电路78L05对该电压进行调整，调整后的电压约为5V的直流电压，满足单片机和其他IC的工作要求电压，所得电压再次经过滤波电容滤波，得到很平整的5V直流电。
2．显示电路
显示电路是由4个七段数码显示，该电路是将A/D转换芯片转换的数字信号显示出来，数字信号的高低电平控制数码管每一段的亮灭。75452集成芯片作为反向器，为数管提供低电平，驱动数码管点亮。
4.3 相关的子程序
由于水平有限，整电路的程序难度较大，选择显示电路作该设计代表程序：
DIS: MOV R0, #30H ； R0指向显缓
MOV R2, #20H ； R2存位选码
DIS1: MOV A, @R0 ； 取数进行译码
MOV DPTR, #SEG
MOVC A, @A+DPTR ；取段码
MOV DPTR, #0FD01H
MOVX @DPTR, A ；段码送A口
MOV A, R2
INC DPTR
MOVX @DPTR, A ；位选码送B口
ACALL DIMS ；延时3～5ms
MOV A, R2
JB ACC.0, DIS2 ；是否显示完毕
INC R0 ；未完，取下位
MOV A, R2
RR A ；下位位选码
MOV R2, A
AJMP DIS1
DIS2: RET
DIMS: MOV R3, #70H ；延时子程序
DL1: NOP
NOP
DJNZ
RET
SEG: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH ;
DB 66H, 6DH, 7DH, 07H ;
DB 7FH, 6FH, 77H, 7CH ;
DB 39H, 5EH, 79H, 71H ;
在静态显示方式下，LED显示器各显示段的工作电流是恒定的，在动态显示方式下，LED显示器各显示段的工作电流是脉动的。因此，脉动工作电流的幅值应远大于恒定工作电流的幅值。对于位驱动电路来说，它必须能负载一个数字显示器各个显示段工作电流的总和。所以它的最大位驱动脉动负载电流应约为300mA。但由于位驱动是分时多路工作，所以它的最大平均负载电流为50mA。
在动态显示系统中，一位数字的显示持久时间不允许超过其额定值，更不允许系统长久地停止扫描刷新，否则，某一个数字显示器和位驱动电路将因长时间流过较大的恒定电流而被损坏。同时，动态显示方式所能允许的显示数字的个数是有限的，这是由于显示系统所能允许最大脉动工作电流是有限的。
结 论
在高新技术的推动下，随着工业自动化程度的不断提高，在工业中使用的仪表日趋数字化、智能化、多功能化、小型化。本文介绍了用80C51单片机设计智能仪表主控电路，其硬件电路设计采用80C51单片机为核心，再配以外围程序存储器、数据存储器、I/O接口、A/D转换器可实现多路模拟量、数字量、开关量的输入输出。可靠性、安全性、电磁兼容都达到了更高的要求，从而使仪表装置的功能更强、效率更高、适用性更好。大大提高了运行的稳定性和可靠性。
本文利用了80C51单片机进行了最小系统设计，包括随机存储器62128，只读存储器27128。地址分配用74LS139译码器来进行选择，地址/数据线是通过74LS373锁存器进行锁存；外围键盘接口和显示接口采用可编程并行接口芯片8255为中心器件来设计接口扩展电路；8通道模拟量输入采用了A/D转换器ADC0809芯片，由ADC0809实现模拟信号的数字化，使系统成为一个简单的智能仪表的主控电路。
通过这次毕业设计，使我在综合使用专业知识、专业技能分析和解决问题方面得到了一次全面系统的锻炼。由于时间仓促，再加上我的理论知识水平有限，实践能力和设计经验不足，在设计的过程中难免还存在一些问题甚至是错误，今后在实际工作中有待进一步得到升华。
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