基于脉冲计数法的多量程电阻电容测试仪的设计

摘要：文章介绍了一种电阻电容测试仪的设计方法，该系统以STC89C52单片机为核心，由键盘、液晶显示器、555等器件组成。单片机测量电阻和电容所对应振荡电路所产生的频率值来实现对电阻值和电容值的测量。系统测试结果在液晶上显示，用户可以通过键盘选择不同的量程，当所测电阻值或电容值超出量程时，系统会自动报警。另外，系统具有记忆功能，方便用户记录和查询测试数据。
关键词：STC89C52；振荡电路；脉冲计数法

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。