數(shù)顯式電阻及電容測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文介紹了一種基于555定時(shí)器和單片機(jī)的數(shù)顯式電阻和電容測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)利用555和待測電阻或電容組成多諧振蕩器，通過單片機(jī)測量555輸出信號(hào)的周期，根據(jù)周期與待測電阻或電容的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出電阻或電容值，再將之在LCD1602上顯示出來。最后仿真結(jié)果表明該測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，方便實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，能夠測量一定范圍內(nèi)的電阻和電容值。

1.引言

在電子儀器、儀表的制造及使用行業(yè)，有大量的印刷電路板需要調(diào)試、測量與維修，需要對(duì)電阻電容的數(shù)值進(jìn)行測試。

本文介紹了一種基于AT89C51單片機(jī)和555定時(shí)器的數(shù)顯式電阻和電容測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，然后制作出電路實(shí)物，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)利用555定時(shí)器和待測電阻(或電容)組成多諧振蕩器，通過單片機(jī)定時(shí)器測量555輸出信號(hào)的周期，根據(jù)周期和待測電阻(或電容)的數(shù)學(xué)關(guān)系再計(jì)算出電阻(或電容)值，再通過1602液晶顯示器將其顯示出來。經(jīng)仿真結(jié)果表明該測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，方便實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

2.設(shè)計(jì)方案與原理

2.1 設(shè)計(jì)總方案

整個(gè)測量系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)，按鍵，電阻、電容和555組成的多諧振蕩器和液晶顯示等幾個(gè)電路模塊組成。如圖1所示。

2.2 多諧振蕩器原理

如圖2所示，測量電容時(shí)，利用555和待測電容CX和電阻R1和R2(R1和R2為已知電阻)等組成多諧振蕩器，這樣從555的輸出端Q將輸出周期性方波，接到示波器，如圖2(b)所示。該信號(hào)不是一個(gè)占空比為50%的方波，根據(jù)參考文獻(xiàn)2，一個(gè)周期T中高電平時(shí)間持續(xù)時(shí)間為：

測量電阻時(shí)，另用一個(gè)555組成一個(gè)多諧振蕩器電路，將待測電阻RX接在R1的位置(或者將RX和一個(gè)已知電阻串聯(lián))，CX替換成一個(gè)已知的電容C.這樣一個(gè)周期時(shí)間為：

2.3 單片機(jī)計(jì)時(shí)原理

555輸出的周期性方波信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)時(shí)，測量出信號(hào)的一個(gè)周期時(shí)間T，再利用上面的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算處理，得到待測的電容或者電阻值。單片機(jī)計(jì)時(shí)的原理是：利用單片機(jī)的外部中斷0和定時(shí)器0.555的輸出信號(hào)接到單片機(jī)的外部中斷0引腳P3.2，將其設(shè)置成下降沿觸發(fā)。當(dāng)555的輸出信號(hào)為下降沿時(shí)，觸發(fā)外部中斷，開啟單片機(jī)的定時(shí)器0開始計(jì)時(shí)，直到下一次下降沿到達(dá)時(shí)，即一個(gè)周期到達(dá)了，停止計(jì)時(shí)，這時(shí)定時(shí)器記下的就是一個(gè)周期的時(shí)間長度。

3.硬件模塊設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)核心的控制器采用的是AT89C51單片機(jī)，圖3所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括單片機(jī)和單片機(jī)正常工作需要的晶振電路和復(fù)位電路。Proteus中默認(rèn)單片機(jī)電源和地已接好，所以圖中省去了。

3.2 按鍵電路

按鍵電路用于確定是測量電容還是電阻，如圖4所示，采用了一個(gè)單刀雙擲按鍵。當(dāng)按鍵打到上方接通單片機(jī)P3.6引腳時(shí)，用于測量電容;打到下方P3.7引腳時(shí)，用于測量電阻。

3.3 555多諧振蕩器

如圖5所示，利用555和待測電容或者電阻組成多諧振蕩器，555產(chǎn)生的周期性方波從Q引腳輸出，然后接至單片機(jī)的外部中斷INT0引腳，即P3.2引腳。測量時(shí)，兩電路只有一個(gè)接至單片機(jī)，分別用于測量電容和電阻。

3.4 液晶顯示電路

測量的結(jié)果要顯示出來，本系統(tǒng)采用LCD1602作為顯示器，圖6為LCD1602和單片機(jī)的連接電路，P0口接了上拉電阻，作為數(shù)據(jù)口;P2口的前3位作為讀寫和使能的控制引腳。

4.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如7所示。接通電源，首先是初始化工作，包括定時(shí)器T0、外部中斷0和LCD1602的初始化。然后啟動(dòng)555芯片，通過單片機(jī)判斷是否有中斷請(qǐng)求，若無的話，繼續(xù)等待中斷請(qǐng)求;若有的話，啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)直到有中斷請(qǐng)求時(shí)停止計(jì)時(shí)。得到計(jì)時(shí)值，即555輸出信號(hào)的一個(gè)周期后，判斷是測量電阻還是測量電容。判斷后將電阻或者電容值由LCD1602顯示出來。

5.仿真結(jié)果

將上述各電路模塊整合到一起，組成一個(gè)測量系統(tǒng)。采用Keil編寫好程序無誤后，在Proteus中進(jìn)行電路仿真。分別測量一個(gè)50kΩ電阻和一個(gè)150μF電容的仿真結(jié)果如圖8所示。從中可以看出，測量有一定的誤差，這主要是因?yàn)椴捎们懊婀接?jì)算時(shí)取了近似值。仿真通過后，按照仿真電路，購買需要的元器件，制作出實(shí)物電路。

6.結(jié)束語

本文介紹了一種基于555定時(shí)器和單片機(jī)的電阻和電容測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真中，是以Keil和Proteus兩種軟件為平臺(tái)。在Keil中使用C語言編寫了程序，再利用Proteus仿真了系統(tǒng)電路的功能。該測量電路簡單可靠，較易實(shí)現(xiàn)，能夠測量一定范圍內(nèi)的電阻和電容值從而證實(shí)了本設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性。