基于单片机的数字电桥设计和实现 电气工程专业.docx

基于单片机的数字电桥设计 摘要 随着测量技术的不断发展，手持式的测量设备逐渐变现出更好的性能。同时，人们在对电子元件的测量上也渴望能够有一款便捷精确的测量设备。本文就是基于这些问题提出的基于AT89C51单片机来测量元器件参数的手持式数字电桥设备的设计。该数字电桥设备以AT89C51单片机作为控制核心，采用了半桥电路和自由轴法的原理，使设备来完成测量功能。设备通过AT89C51嵌入到测量设备，来对电子元件电阻R、电感L、电容C进行测量，同时也可以在多频率下进行精确的测量，最后在LCD上进行结果显示，并能根据用户的需求进行相关的设置，并能实现对电子元件的筛选、传送数据等功能。通过测试，该设计可以实现预期的功能。 目录 第一章绪论 2 1研究背景与现状 2 2研究内容与意义 2 3论文的结构安排 3 第二章系统设计 3 1总体设计 3 2设备功能 3 3本章小节 4 第三章硬件设计 4 1硬件结构 5 2模块介绍 5 2.1主控制电路 5 2.2半桥电路 6 2.3键盘 6 2.4液晶显示 6 2.5串口通信 6 3本章小结 7 第四章软件设计 7 1开发环境 7 2系统软件框架 7 2.1按键控制 8 2.2液晶显示 8 2.3串口通信 9 3本章小节 9 第五章总结与展望 9 参考文献 10 致谢 10 第一章绪论 1研究背景与现状 数字电桥是指能够灵活运用相关的测试条件来帮助使用者来测量电阻值（R），电容值（C）以及电感值（L）的测量工具。该仪器不仅可以获得准确的R，C，L而且还能够得出相角值，损耗因子，品质因子以及其他的相关变量值，可以让使用者更加了解使用的元器件，也就是说，在某种程度上这种仪器可以帮助使用者来进行仪器的筛选和相应的分类，可以明显提高工作效率，因而现在该数字电桥在测量和维护元器件等方面具有不可替代的价值。 在70年代中期提出的电子电桥，刚开始是以固定轴法为基础来实现的，发展到70年代后期时采用自由轴法，该项技术极大的推动了电子电桥的发展。在刚开始时可以测量的频率比较低而且有限。后期随着技术的发展，可测量的频率也越来越高同时频率种类也越来越多，因而为了改善在频率高的时候测量的准确性，提出了半桥法与平衡法融合的方法，使得测量的精确度有了很大的提高。在人机交互上，以前仅仅是使用数码技术来进行显示，现在已经发展到可以用图形符号来进行显示，同时也可以显示测量条件和原件数量，有的甚至时不需要使用键盘来进行操作的，可以完全的自主来实现测量。除此之外，部分仪器使用串口通信的方式与电脑端进行数据传送，将测量后的数据发送给电脑端，由电脑端做进一步的处理。 目前数字电桥主要包括俩种分别是台式的数字电桥和手持式的电子电桥。通常情况下，台式的表现出更高的测量精确度，但其存在着耗电快，不易携带以及测试条件苛刻等问题，因而不能够在普通用户中被广泛使用。手持式时以微处理器为核心设计完成的，表现出操作简单，功耗低，体积小等优点，使得该类电子电桥能够被大多人人所接受。目前手持式的电子电桥所使用的微处理器有以51单片机为核心，以ARM为核心以及使用FPGA来实现的，其中FPGA的处理速度最快，表现出更好的优势。手持式的电子电桥在生活中可以很方便的使用，测量获得的结果大多数可以满足测量的要求，因而手持式的设备在生活中比台式应用的更加广泛。在电子测量仪器中，手持式的设备可以不用关心测试环境而且具有携带方便功耗低精度高等优点，所以该类设备有着很大的研发意义。 2研究内容与意义 由于半桥电路的硬件结构简单，而且因硬件原因造成的误差会很小，所以使用以半桥电路为基础的方法完成手持式的电子电桥设备。同时为了防止同向误差的形成采用的测量原理时自由轴法。在主控器的选择上，因为本系统是为了实现方案设计，从设计中了解电子电桥的原理，因而选用可以满足设计要求的AT89C51单片机作为主控制芯片。 本次设计时使用AT89C51为控制器的数字电桥的设计，该设计拥有按键电路可实现选择不同的测量功能，同时在LCD上进行显示，可以实现对电子元件相应的电阻值，电感值，和电容值的准确测量，并且依据使用者设置的选择条件来进行筛选。 数字电桥是指能够灵活运用相关的测试条件来帮助使用者来测量R，C以及L的测量工具。在获得准确的R，C，L的同时而且还能够得出相角值，损耗因子，品质因子以及其他的相关变量值，可以让使用者更加了解使用的元器件并根据需要进行合适的分类。同时，手持式的数字电桥设备在生活中可以很方便的使用，而且测量获得的结果大多数可以满足测量的要求，因而手持式的设备在生活有着很广泛的使用。在电子测量仪器中，手持式的设备可以不用关心测试环境，而且具有携带方便，功耗低，精度高等优点，所以研发该类设备有着很大的实际意义。 3论文的结构安排 本文系统的介绍了以AT89C51为微处理器来手持式的数字电桥设备，通过该设备可以方便的测量电子元器件的电感值，电容值和电阻值。以下将阐述本次论文的结构。 第一章是介绍数字电桥设备的历史背景以及目前的发展状况，也介绍了本轮的主要研究内容和意义，最后介绍了论文的结构安排。 第二章是介绍了本论文中设计的数字电桥设备的总体的设计和相应的设备功能。最后进行了总结。 第三章是介绍了本论文中设计的数字电桥设备的硬件结构以及各部分硬件模块。最后进行了总结。 第四章是介绍了本论文中设计的数字电桥设备的软件开发环境以及软件设计的结构。最后进行了总结。 第五章是对全文做一个总结以及对以后的工作做了简要说明。 第二章系统设计 本章主要是对基于单片机的数字电桥的总体设计进行相关介绍，同时介绍设备的功能。 1总体设计 本次的基于单片机数字电桥设备时一款手持式的测量设备，为用户提供了简便的操作方法。在设计中使用了半桥电路的硬件结构以及采用了自由轴法来实现测量，但是在电压的测量上是和半桥电路是不一样的，在这里不在使用双通道的方法而采用单通道的测量方法，用来对电压，标准电阻和被测电阻的电压分别进行测量。因为系统是以AT89C51来进行相关处理的，所以拥有存储能力，故而可以解决电桥电路中双通道存在的误差问题。论文中所完成的系统是可以完成低功耗，高精度同时能够在多频率的情况下对电感，电容，电阻以及其他的元器件参数进行测量的，在完成测量时可以根据使用者设置的器件要求来对元器件进行选择和分类，同时该设备设计了串口通信的功能，使得设备可以与电脑端连接并且与电脑端进行相关的数据通信。 2设备功能 本论文中设计的数字电桥设备是一款手持式设备，采用以AT89C51为微处理器来实现相关的数据处理等功能。具体的设备功能如下： 设备是手持式的，使用者可以简单的手拿设备对各元器件进行测量。 测量电阻值，电感值和电容值。设备具备对电阻，电容，电感在四种频率下进行相应的测量，同时可以完成串并联的等效计算。因而可以让用户方便的测量不同环境下元器件的值。 测量相关变量值，比如可以损耗因子，相角，品质因数等其他的相关变量。 测量的精度达到0.5%。该功能的实现体现出了对现存的手持式的数字电桥设备在精度上的改善。 测量量程的转换。在进行测量时，设备可以自动变换量程来测量的元器件的参数值，能够提供更加的便捷性。 选择分类。设备可以依据设定的要求对大部分同类的元器件在测量后进行选择分类，减少了使用者的工作量。 串口通信能力。设备可以使用串口与电脑端进行连接与数据传输，可以让用户准确的记录和处理数据。 多频测量。设备中可以使用四种不同的频率来进行测量，可以改善半桥电路的使用。 液晶显示。设备可以把测量的结果显示在液晶显示屏上供用户读取，以及显示设定的参数以便用户进行确认。 串联和并联电路的等效方式。使用者可以选择串联或者并联来进行电路等效，从而可以获得在各种等效下的结果。 按键功能。设备含有键盘，可以实现各种选择和设置。 数据保持。设备可以在显示屏上不断的显示当前器件的测量值。 频率干扰。用户可以依据元器件的应用环境，可以选择在不同的干扰频率对器件的测量，以便提高精度。 存储能力。设备可以不断地将测量的结果及时的存储下来，在用户想要查看相关数据时，可以进行读取。 3本章小节 本章介绍了该设计实现了手持式的数字电桥设备，可以实现测量电阻值，电感值和电容值，测量相关变量值，测量的精度达到0.5%，测量量程的转换，选择分类，串口通信，多频测量，液晶显示，电路等效，按键选择，数据保持，加频率干扰以及存储的功能。体现出了本次设计的设计虽然是一款能够简便操作，但是具有更丰富功能的设备。 第三章硬件设计 论文多完成的设计是使用AT89C51单片机为核心，具有按键功能，LCD显示功能，串口通信功能，测量电路等模块的手持式数字电桥。 1硬件结构 论文中所完成的设计含有的模块分别是：FPGA分频电路，AT89C51主控电路，按键电路，液晶显示电路以及串口通信电路。系统的硬件结构如图2所示.FPGA电路部分可以生成10KHZ,1KHZ,120HZ以及100HZ四种测量使用的频率同时也能产生模数转换使用的600KHZ和500KHZ俩个工作频率。按键电路可以控制设备的设置和各个功能的选择。液晶显示电路主要是在LCD显示屏上显示测量的结果以及当前的工作状态。串口通信电路是使用RS232串口模块来完成与电脑端的连接以及数据的接收。 2模块介绍 按照系统的功能，在硬件种使用的模块由：主控制电路，半桥电路，LCD显示，按键电路，串口通信等。 2.1主控制电路 系统种使用的主控制器件是AT89C51单片机，AT89C51 含有如下各个功能:4kB的Flash 存储器，内部RAM为128个字节，共有32个输入输出口以及两个16位的计数/定时器，两级中断和全双工的串行通信功能，还有时钟电路和片内振荡电路。此外，AT89C51可以降低到静态逻辑（0HZ），有节电模式（两种）。在处于空闲方式时，CPU停止工作，但是定时/计数器，RAM，中断系统及串行通信口仍然可以工作。在处于掉电方式时，能够RAM中的数据内容，但时振荡器会不再工作并且其它各个部件在直到下一个复位信号传来时才可以工作。 2.2半桥电路 电桥线路中不仅仅有无源器件，也能是有源器件构成的电桥电路（即有源电路）。电桥电路中使用了有源放大器后在提高电桥性能的同时还可以增大量程和灵活性以及降低复杂度。常使用的有源电路是五端电桥。但是五端电桥具有价格高，逻辑复杂，速度慢，抗干扰能力弱等缺点。因而便逐步发展形成了半桥电路。 半桥电路顾名思义，与五端电桥相比，仅使用了一半的电路，因而不具有平衡点（即对平衡电路没有要求）。所以目前绝大部分手持数字电桥均采用该种方法来进行设计。 2.3键盘 键盘采用矩阵键盘的形式来设计，在系统工作后，可以由用户对键盘进行操作，当用户按下了其中的一个按键，便会由键盘电路向控制器传送一个信号，处理器根据该信号来执行相应的功能。 2.4液晶显示 液晶显示电路使用了LCD液晶模块来进行设计，当设备启动后，液晶便会显示相应的信息，用户在进行不同的操作后，液晶也会显示不同的信息来提示用户。是用户可以及时的了解情况。其中最主要的是显示测量的结果由用户进行记录等。 2.5串口通信 串口通信采用RS232串口通信协议来使处理器与电脑进行通信。RS232的需要进行的属性设置包括：波特率，数据位的个数，奇偶校验位的有无，停止位的个数以及有无数据流控。 3本章小结 本章对设备的硬件进行了相关介绍，其硬件的组成包括主控制电路，半桥电路，LCD显示，按键电路，串口通信等。经过多次的实际检测和修改，最终各部分硬件电路可以实现预期的目标。 第四章软件设计 本章是关于本次设计的软件设计内容，主要介绍了软件的开发环境和软件的具体设计内容。 1开发环境 本次软件的开发环境为KEILC51 。由美国的Ke