基于脉冲计数法的多量程电阻电容测试仪的设计

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 0 引言

常用的测量电阻和电容的方法主要有纯模拟电路法、PLC法。采用纯模拟电路法设计电阻电容测试仪,可以避免编程的麻烦,但是电路复杂、灵活性差、测量精度低;采用PLC法设计的电阻电容测试仪速度快、体积小、可靠性和精度好,但是价格昂贵。采用“脉冲计数法”设计电阻、电容测试仪,把电子元件的参数转换成频率信号,用单片机计数后再求出电阻或电容值,而频率是单片机很容易处理的数字量。本文采用“脉冲计数法”设计电阻电容测试仪,此测试仪不仅能克服传统测试仪的种种弊端,而且增设了记忆功能和警示信号功能,使测试仪更加智能化。

1 系统总体设计

本文设计的电阻电容测试仪的系统结构框架如图1所示,系统主要由用户控制端、单片机、液晶屏、电阻测试模块、电容测试模块、报警器以及其它附加功能模块等组成。当用户需要测量某一电阻或电容的值时,只需要把此电阻或电容放在相应的测试位置,选择好量程,测试仪即可自动测出其电阻值或电容值,并把测试结果显示在液晶屏上,方便用户读取。另外,此测试仪还具有超出量程警示功能和记忆功能,可存储最近十次的测量结果。


2 各功能模块介绍

2.1 电阻和电容测试电路

测试电路采用“脉冲计数法”,电路如图2所示。

这里选择NE555N作为多谐振荡电路的核心元件构成振荡电路,当振荡电路中的测试电阻和电容不同时,振荡频率也会不同,多谐振荡器振荡周期为:

单片机测得振荡输出的频率,计算后即可得到电阻和电容的值。不同量程对应不同的电路参数,利用开关可方便地选择对应不同量程的对应电路。

测量电阻分为两个量程:

(1)1Ω≤Rx<2kΩ S1闭合,R1=330Ω,Cx=0.2μF;
(2)2kΩ≤Rx<5MΩ S2闭合,R1=20Ω,Cx=10nF。


测量电容分为三个量程:

(1)10pF≤Cx<10nF S3闭合,R1=100kΩ, Rx=200kΩ;
(2)10nF≤Cx<10μF S4闭合,R1=6.7kΩ,Rx=4.7kΩ;
(3)1μF≤Cx<10μF S5闭合,R1=4.7kΩ,Rx=4.7kΩ;

2.2 单片机

单片机采用的是STC89C52,其具有功耗低、抗干扰性强、结构简单、易于开发等优点,且支持在线系统编程,无需编程器,方便系统的开发和维护。

2.3 存储器

AT24C02是Ateml公司的2kB的存储器,采用8脚的DIP封装,使用方便。用串行总线和单片机通讯,当电压最低达到2.5V时,芯片内的信息可以在断电的情况下保存40年。

2.4 液晶显示

采用128×64的点阵式LCD模块,可以把各种信息及时显示在液晶屏上,方便用户读取,使系统和用户有良好的人机交互界面,给用户带来极大地方便。显示的内容主要有所测电阻值、电容值及其量纲。通过对单片机的控制还可以显示出最近十次的测量结果。

2.5 用户输入

系统采用的是4×4的矩阵式键盘,方便用户对系统的控制,使系统功能更加完善,更加多样化,满足用户不同的需求。

3 系统软件设计

本软件采用结构化程序设计方法和思路,各功能程序实现模块化,增加程序的可读性。系统软件的总流程如图3所示。

主要的子程序包括频率测量子程序、键盘扫描子程序和数据存取子程序。频率测量程序是系统软件的核心,原理是用一个标准的频率时钟去计算被测的频率,频率测量程序流程图如图4所示。

键盘扫描子程序其流程是打开数字小键盘扫描程序,使单片机每隔1/128s扫描一次按键,然后将该信息经过单片机的消抖程序进行处理,若检测到有按键按下,则返回相应的键值。通过内部编写的程序将返回的键值转换为十六进制数,便于程序的条件判断测量电阻和电容所选用的量程。

数据存取流程是将每次测量元件类型、大小参数写入AT24C02,并能够读取近十次的测试记录。若所测元件的次数大于10次,按功能键则显示近10次的测量结果。

4 测试结果及结论

通过对系统的调试,各电阻测量值如下:

通过对测量数据的分析,本系统可以对1Ω~5MΩ范围内的电阻精确地测量出阻值,并且超出量程时自动发出报警声。各档测量误差均≤±5%。显示部分的LCD可以明确表示出电阻的测量值和量纲,有效数字显示4位,并且可通过键盘调出最近十次的测量结果并显示出来。

电容的测试结果如表2所示。

对测试结果进行分析,本系统对10pF~10μF电容测量较为精确。各档测量误差均在±5%之内。

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