基于单片机的RLC测试仪设计论文

毕业设计（论文）
基于单片机的RLC测试仪设计Design of RLC Instrument Based on SCM
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摘要
随着电子技术的发展，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。

现在使用的RLC测试仪大都是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，而且对初学者来说很不方便。

所以本设计设计了基于AT89S51单片机控制的RLC测试仪。

利用单片机的运算和控制功能，方便地实现对R、L、C的参数的测量。

可在硬件结构不变的情况下，同时用软件程序代替一些硬件测量电路。

能够很好的完成对RLC 参数的测量。

本设计通过插值算法使测量结果精度得到了有效的提高，同时通过数字惯性滤波法避免了读数的跳动，使得读取测量结果更加方便。

本设计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。

关键词
单片机 RLC测试仪插值算法数字滤波
Abstract
With the develop of electronic technology,the products’intelligentize and digitized has become a trend which is pursued by human ，Especially for electronic equipment precision and stability .The RLC testers now are used mostly hardware circuits ,which are complex, large volume comparison, inconvenience to carry, and price is more expensive and inconvenient for beginners. Therefore, the design of the RLC tester based on AT89C51 SCM is necessary. using the SCM’s operation and control functions to realize the measure of the R, L, C parameters expediently. In the case of the hardware structure remain unchangable, using a software program to replace some hardware measuring circuit,which can complete the measure of RLC parameters very well. The design improves the results’measuring accuracy by using the interpolation algorithm effectively, at the same time through a filtering method to avoid reading the beat,
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making it more convenient to read the measuring results. The design is conformed to the social development, developed a cheap and simple, automatic conversion range and smaller size, and portable RLC Tester.
Key word:Single chip micro RLC measuring meter
Interpolation algorithm Digital filtering
目录
1 引言 (1)
1.1 课题设计目的意义 (1)
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1.2 课题设计内容 (1)
1.3 技术要求 (1)
1.4 拟解决关键问题 (2)
1.5课题的来源 (2)
1.6课题的范围 (2)
2 总体方案设计 (2)
2.1 方案一 (2)
2.2方案二 (4)
2.3方案选择 (4)
2.4系统原理框图 (4)
3硬件设计 (5)
3.1测电阻R X的RC振荡电路 (5)
3.2测量电容C X的RC振荡电路 (6)
3.3测量电感L X的电容三点式振荡电路 (7)
3.4模拟开关 (8)
3.589C81单片机 (11)
3.6LED数码管显示器 (19)
4软件设计 (21)
4.1主程序流程图 (21)
4.2频率的测量方法和误差分析 (21)
4.3稳定读数 (24)
5总结 (25)
参考文献 (26)
致谢 (27)
附录 (28)
1 引言
1.1 课题的目的和意义
现在我们所使用过的RLC测试仪最典型的就是万用表，但是万用表在使用过程中如果操作不当非常容易产生误差，随着社会的发展测试仪的应用越来越广泛，我们发现仪表模式的测试仪使用起来越来越不方便。

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。

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，本设计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。

本设计是用振荡电路把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。

本设计是基于8051单片机控制的智能RLC测试仪，利用单片机对R、L、C的参数进行测量，可以充分利用单片机的运算和控制功能，方便地实现测量，使测量精度得到提高。

同时用软件程序代替一些硬件测量电路。

能够很好的完成对RLC参数的测量，以满足现代测控系统的需要。

本仪表通过插值算法使测量结果精度得到了有效的提高，同时通过数字惯性滤波法避免了读数的跳动，使得读取测量结果更加方便。

1.2课题设计内容
设计一个带数字显示的电阻，电容和电感测试仪。

采用89C51单片机为主要控制环节，通过振荡电路把参数转换成频率信号，再由模拟开关控制输入信号，并通过单片机对输入的信号进行计数和运算，最后在LED数码显示管上显示出被测原件的大小。

并通过发光二极管指示出原件的类别和单位。

1.3技术要求
测量范围：电阻100欧姆到1M欧姆，电容100pF到10000pF，电感100uH到10mH。

测量精度：+5%
用4位数码显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测原件的类别和单位。

测量量程能够自动转换。

有设计方案比较，理论分析和计算，测试结果分析。

1.4拟解决关键问题
(1)对RC震荡和LC三点式振荡的振荡器的设计和相关计算。

在设计中要把电子元件的集中参数R、C、L转换成频率信号，而实现这一转换的原理分别是RC震荡和LC三点式振荡。

所以要对振荡器进行设计。

只有实现了转换才能进行下面的工作。

(2)8051单片机的软件程序的设计和调试。

经过转换后的信号要经过计数和运算才能得到我们所需要的数值，这就需要我们根据需要利用8051单片机进行编程，同时这个程序对整个系统也起着控制作用。

这是一个重要的环节，要经过反复的编写程序和调试。

(3)测量量程的自动转换
(4)减小测量的误差。

1.5 课题的来源
随着社会发展的需求，测试仪应用的广发，老式的测试仪越来越不能满足社会的需求，基于这这一触发点需要完成一套智能型的适应需求的RLC测试仪。

1.6 课题的范围
依据不同的划分依据，可以将课题的范围划分为如下几种：
以课题涵盖的知识分类来说，课题涉及到模拟电子学、数字电子学、单片机等学科，各学科的交织在一起，各自完成着各自的功能，再有机的整各在一起，就形成了一个完整的具备RLC测试功能的系统。

以课题设计电路的类别来说，包涵硬件电路和软件电路。

现时代的各种先进仪器设备，均具备相同的一个特点，那就是软硬件电路的整合。

传统意义上的硬件电路已经不能满足当今社会日益发展的功能要求，而只有两者相互结合的设计，各取所长，才能满足设计的要求。

以课题设计的用途来说，精度高，稳定性好，体积小、随身携带性强、重量轻巧的系统更适用于各领域测试的需求。

2 总体方案设计
2.1方案一
RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法
2.11电桥法
电桥法是能同时测量电器元件R、L、C最典型的方法，如图1所示。

电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。

电桥平衡的条件为
图2-5 系统原理框图
3 硬件设计
3.1 测电阻Rx 的RC 振荡电路
图6是一由555电路构成的多谐振荡电路。

它的振荡周期为
8488421)2)(2(ln )2(ln ))(2(ln C R R C R C R R t t T x x x +=++=+=
即 b kT R C T
R x +=-=
2
)2(ln 248
(1)
式中8
)2(ln 21
C k =
,24R b =。

为了避免直接采用式(1)来计算时由于某种原因引起的非线性误差,本设计引入了直线插值算法,做法如下：
用本设计去测量标准电阻R0、R1……Rn ，记下测得相应的周期T0、T1……Tn ，得到基准点（R0，T0）、（R1，T1）……（Rn ，Tn ），则有
b kT R i i +=
(i=0,1,……n)
测量未知电阻Rx 时，测得的周期为T ，若1+<≤i i T T T ,则 b kT R i i += b kT R i i +=++11
b kT R x +=
联立以上三式，得
)(11i i
i i
i i x T T T T R R R R ---+
=++
（2）
用式（2）计算Rx 时，结果与电路中的元件参数无关，这样可以避免电路元件带来的误差。

通过选用高精度的基准电阻和增加基准点的个数，便可使测量结果的误差在允许的范围内。

图3-1 测电阻Rx 的RC 振荡电路
3.2 测量电容Cx 的RC 振荡电路
如图7所示，测量Cx 的RC 振荡电路与测Rx 的振荡电路完全一样。

取R1=R2，则
kT T R C x ==
1
)2(ln 31
式中1
)2(ln 31
R k =。

与测量电阻的过程相似，通过标准电容的测量可以得到基准点()00,T C ，()11,T C ……
()n n T C ,，当测量未知电容x C 得到相应的脉冲周期为T 时，有
)(11i i
i i
i i x T T T T C C C C ---+
=++ （3）
图3-2 测量电容Cx 的RC 振荡电路
3.3 测量电感Lx 的电容三点式振荡电路
如图8所示，在电容三点振荡电路中，C1、C2分别采用1000pF 和2200pF 的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。

这样根据振荡频率公式:
C
L f x π21=
(4)
其中2
12
1C C C C C +=
对于10uH 的电感
MHz f 92.110
*6875.0*1021
9
5
==
--π
由于单片采用12MHz 晶振晶,最快只能计几百kHz 的频率,因此在测电感这一档时,应分
频后再送单片机计数。

由式(4)得
2
2241kT C
f L x ==
π,其中C k 241π=
通过对一些标准电感的测量,可得到一些基准点),(200T L ,),(2
11T L ……),(2n n T L ，当测量未知电容x L 得到相应的脉冲周期的平方为2
T 时，由直线插值法可得
)(2
22
211i i
i i i i x T T T T L L L L ---+
=++ （5）
图3-3 测量电感Lx的电容三点式振荡电路
3.4模拟开关
模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。

当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。

模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。

由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。

3.41模拟开关的电路组成及工作原理
图3-4 模拟开关的电路组成
模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成，如图一所示。

模拟开关的真值表如下
表3-1 模拟开关的真值表
模拟开关的工作原理如下：
当选通端Ｅ和输人端Ａ同为1时，则S2端为０，Ｓ1端为１，这时ＶＴ1导通，ＶＴ2截止，输出端Ｂ输出为１，Ａ=Ｂ，相当于输入端和输出端接通。

当选通Ｅ为0时，而输人端Ａ为０时，则S2端为1，S1端为０，这时ＶＴ1截止，VT2导通，输出端Ｂ为０，Ａ＝Ｂ，也相当于输人端和输出端接通。

当选通端Ｅ为０时，这时ＶＴ1和ＶＴ2均为截止状态，电路输出呈高阻状态。

从上面的分析可以看出，只有当选通端Ｅ为高电平时，模拟开关才会被接通，此时可从Ａ向Ｂ传送信息；当输人端Ａ为低电平时，模拟开关关闭，停止传送信息。

3.42常用的CMOS模拟开关集成电路
根据电路的特性和集成度的不同，ＭＯＳ模拟开关集成电路可分为很多种类。

现将常用的模拟开关集成电路的型号、名称及特性列入表3-2中。

表3-2常用的模拟开关
3.43 单八路模拟开关CD4051
根据设计需求我们选用的是CD4051模拟开关
CD4051BC
图3-5 CD4051
CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

其真值表见表1。

“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。

此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。

例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V， VSS=0V，当VEE=－5V 时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。

表3-3输入状态与接通通道
在设计中我们只需用3个通道即可。

3.5 89C51单片机
3.51单片机综述
微处理器CPU微处理器是微型电子计算机的心脏或指挥中心，所以人们又称这个关键部件叫中央处理器，简称为CPU。

现在人们可以把CPU、存储器、I/O接口等功能部件都集成
到，一块芯片上。

这神芯片能够完成微机相应部分的功能，人们称它为单片微型计算机，简称单片机。

单片机目前还没有一个确切的定义。

普遍以为单片机是将CPU，RAM，ROM、定时器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上，这样所组成的芯片级微型计算机称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称为单片机微型机或单片机。

由于单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制要求设计的，常用于工业的检测、控制装置中、因而也称为微控制器（Micro-Cotroller）或嵌入式控制器（Ebeddsed-Controller）。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM )，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

本设计选用的单片机是Intel 公司生产的AT89C51，其具备微型化、低功耗、高速化、集成资源多、性能优异而且价格便宜等优点。

在本设计中利用单片机主要目的是为了，实现广告灯的智能闪烁，从而实现多种花样显示，同时也用于控制固态继电器的开通与关断。

利用单片机实现的有利条件是价格便宜，而且容易实现便于修改。

3.52 AT89C51单片机功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C51单片机引脚图3.3如下所示：
图3-6 AT89C51单片机引脚图
AT89C51单片机引脚功能说明：
●Vcc：电源电压
●GND：地
●P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址/数据总线复用口。

作为
输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

●Pl口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收
或输出电流)4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻时把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(I IL)。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

●P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸
收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。

对端口“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被
外部信号拉低时会输出一个电流(I IL)。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR指令)时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX @RI指令) 时，P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR )区中R2寄存器的内容)，在整个访问期间不改变Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

●P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动(吸
收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阳输出电流(I IL)。

P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3-4所示:
表3-4 P3引脚的第二功能表
●RST：复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片
机复位。

● ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉
冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(FRZG)如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的D0位置位，可禁ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

●：程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51
由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次T触发下有效，即输出两
个脉冲。

在此期间，访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

●EA/VPP：外部访问允许。

欲使CPU仅访问外程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，EA
端必须保持低电平(接地)。

需注意的是:如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平(接VCC端)，CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

●XTAL1：振荡器反相放人器的及内部时钟发生器的输入端。

●XTAL2：振荡器反相放人器的输出端
3.53 部分模块介绍
（1）时钟振荡器：
AT89051中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3.7。

外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1, C2接在放人器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1, C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±l0F。

用户也可以采用外部时钟。

采用外部时钟的电路如图3.7右图所示。

这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟，发生器的输入端，XTAL.2则悬空。

内部振荡电路外部振荡电路
石英晶体时：C1，C2=30pF±10pF 陶瓷谐振器：C1，C2=40pF±10pF
图3-7振荡器电路图
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

（2）空闲节电模式：
A T89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。

这两种方式是控制专用寄存器PCON(即电源控制寄存器)中的即(PCON. 1)和IDL. (PCON.0)位来实现的。

即是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。

IDL.是空闲等待方式，当'IDI=1,激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。

如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。

在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。

此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。

空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复负位终止。

（3）终止：
空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL. ( PCON.
0)被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。

程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI，（中断返回)指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后而的一条指令。

其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止需要注意的是，当硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期(24个时钟周期)有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。

为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。

（4）掉电模式：
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。

退出掉电模式的唯一方法是硬件负位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。

空闲和掉电模式外部引脚状态如下表3-5所示：。