（一） 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
本項(xiàng)目利用元器件本身的特性設(shè)計(jì)測(cè)量電路和測(cè)量控制程序，在stc89c52為主控電路將實(shí)現(xiàn)對(duì)常用電阻、小電容、電感、電解電容的測(cè)量及顯示。由于單片機(jī)體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、且擴(kuò)展靈活，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x在stc89c52的計(jì)算控制和數(shù)據(jù)處理下很容易做成攜帶方便，成本低廉，功能多樣，精度較高的電阻電容電感測(cè)量?jī)x。
（二） 研究目的
目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件使用量急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來。而電阻電容電感作為常用的元件，經(jīng)常出現(xiàn)在各種電路中，而且，在電子設(shè)計(jì)的應(yīng)用中常常需要測(cè)定電阻電容電感的大小。目前，市面上測(cè)量電子元器件參數(shù) 、 和 的儀表種類較多，方法和缺點(diǎn)也各有不同。一般的測(cè)量方法都存在計(jì)算復(fù)雜、不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量而且很難實(shí)現(xiàn)智能化等缺點(diǎn)。因此，制作一個(gè)可靠、安全、便捷的電阻電容電感測(cè)試儀使之能夠簡(jiǎn)單有效地測(cè)試電阻電容電感具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。
（三） 研究?jī)?nèi)容
本項(xiàng)目將以stc89c52單片機(jī)為主控核心，設(shè)計(jì)一款攜帶方便，成本低廉，功能多樣，精度較高的電阻電容電感測(cè)量?jī)x。具體來講：
1) 針對(duì)成本高，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)采用了較少的元器件的儀器，并且?guī)缀蹙鶠槌Ｓ迷骷?，制作工藝?jiǎn)單，以單片機(jī)為控制器核心，價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，所以成本相對(duì)而言就低廉的多，能節(jié)省不少資金。
2) 針對(duì)精度低，本項(xiàng)目采用的是以單片機(jī)為控制核心，單片機(jī)把各功能部件集成在一個(gè)芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。單片機(jī)具有較多的I/O口，CPU可以直接對(duì)I/O進(jìn)行操作、算術(shù)操作、邏輯操作和位操作，所以可以極大的提高測(cè)量精度。
3) 針對(duì)供電方式單一，本項(xiàng)目采用多種供電方式，現(xiàn)在常用的電阻電容電感測(cè)量?jī)x器一般都是單一供電方式，我們采用電池供電，提供通用的usb供電接口，可以用電腦usb接口、手機(jī)充電器供電等。
4) 針對(duì)不方便攜帶，本項(xiàng)目采用的是以單片機(jī)控制為核心，元器件數(shù)量較少，并采用了pcb制板工藝，可以使得該儀器體積和重量盡可能的小。
（四） 國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
現(xiàn)代電子產(chǎn)品正以前所未有的速度，向著多功能化、體積最小化、功耗最低化的方向發(fā)展。在目前的電子測(cè)試領(lǐng)域，電阻、電容、電感的測(cè)量已經(jīng)在測(cè)量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用中十分廣泛，因此，學(xué)術(shù)界和科研界引發(fā)了有關(guān)電阻電容電感測(cè)試研究和開發(fā)的高潮。
國(guó)外對(duì)于電阻電容電感測(cè)量?jī)x器研究的非常多，但大部分都是往智能型方面研究，加上總線技術(shù)的迅速崛起，測(cè)量系統(tǒng)逐漸向具有雙向通信和智能儀表控制的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)方向發(fā)展且具有自動(dòng)構(gòu)成了閉環(huán)工作系統(tǒng)。這種儀器顯然多用于工業(yè)，很少會(huì)用來普通電子工程師和學(xué)生的日常學(xué)習(xí)使用。
在我國(guó)1997年05月21日中國(guó)航空工業(yè)總公司研究出一種電阻電容電感在線測(cè)量方法及裝置等電位隔離方法，用于對(duì)在線的電阻電容電感元件實(shí)行等電位隔離。隨著生產(chǎn)水平和測(cè)試技術(shù)的提高，測(cè)試儀器得到了迅速發(fā)展，近年來我國(guó)測(cè)量?jī)x器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。不論是航空和導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試，或者是自動(dòng)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品測(cè)試與控制，發(fā)展自動(dòng)測(cè)試已成為唯一的出路。測(cè)試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國(guó)本土儀器取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，現(xiàn)在誤差為0.1%左右的測(cè)試儀器，大部分已經(jīng)被具有高速度、高精度、多參數(shù)、多功能的自動(dòng)測(cè)量?jī)x器所代替。特別是通用電子測(cè)量設(shè)備研發(fā)方面，與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快速縮小，特別是模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為中國(guó)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器行業(yè)帶來了新的契機(jī)。
盡管本土測(cè)試測(cè)量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀上說中國(guó)開發(fā)測(cè)試測(cè)量?jī)x器比較落后，有著精度不高，外觀不好，可靠性能差，近年來我國(guó)測(cè)量?jī)x器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況得到了很大改觀，測(cè)試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其近幾年中國(guó)本土儀器取得了重大進(jìn)步，特別是用于通用電子設(shè)備的研發(fā)，與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的差距越來越小，對(duì)國(guó)外電子儀器的壟斷造成了一定的沖擊，從中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒中可以看出，中國(guó)的測(cè)量?jī)x器每年都以超過百分之三十以上的速度在快速增長(zhǎng)，在此增長(zhǎng)的過程中，無疑催生了許多測(cè)試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。
綜上所述,國(guó)內(nèi)外已有很多人設(shè)計(jì)了各種各樣簡(jiǎn)易型的電阻電容電感測(cè)量?jī)x，但這些產(chǎn)品或多或少存在這樣或那樣的缺陷，比如成本高、、精度低、、供電方式單一、攜帶不方便等。對(duì)此，本項(xiàng)目將以stc89c52單片機(jī)為主控核心，設(shè)計(jì)一款攜帶方便，成本低廉，功能多樣，精度較高的電阻電容電感測(cè)量?jī)x。
參考文獻(xiàn)：
[1]閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社，2006.
[2]姜志海等. 單片機(jī)原理及應(yīng)用.(第3版). 北京：電子工業(yè)出版社，2013.
[3]王秀霞. 電阻電容電感的設(shè)計(jì)與制作. 電子技術(shù)，2012, (7): 81-83.
[4]王林生、靳果、劉延壽. 便攜式智能LCF測(cè)量?jī)x的研制. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2015, (11) :91-95.
[5]邱關(guān)源、羅先覺. 電路(第5版). 北京：高等教育出版社，2014.
[6]童詩(shī)白、華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社，2015.
[7]鄭毅. 基于單片機(jī)控制的便攜式智能電路元件測(cè)試儀設(shè)計(jì). 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011, 21(3): 35-37.
[8] 何飛、榮軍、黃廣華等. 智能電阻電容電感測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與開發(fā). 電子技術(shù)，2013, (1): 63-65.
[9] 黃川、于海濤、王宇浩等. 智能電阻、電容、電感測(cè)試儀設(shè)計(jì). 科技資訊，2009, (8): 119.
[10] 郝鵬、王大明. 基于51單片機(jī)的電阻、電容、電感測(cè)試儀. 科技致富向?qū)?/span>, 2011, (20): 96.
[11] 趙巧妮. 基于單片機(jī)的電阻、電感、電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì). 福建電腦，2016, 32(6): 113-114.
[12] 寧小偉、郭建強(qiáng)、高曉蓉. 基于FPGA的智能LRC電感電阻電容測(cè)量?jī)x. 信息技術(shù)，2012, (9): 70-73.
[13] 劉軍. 基于LM3S1138高精度電阻電感電容智能測(cè)試儀的研究. 青島科技大學(xué)，2011.
[14] 劉軍、李智. 基于單片機(jī)的高精度電容電感測(cè)量?jī)x. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2007，26(6): 48-51.
[15] 韋煒. 新型電容電感測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì). 現(xiàn)代科學(xué)儀器，2013，(1): 69-72.
（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色
（1）該儀器基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，能夠較為精確地測(cè)量出電阻電容電感，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。而且與市場(chǎng)上的儀器設(shè)備相比，一機(jī)多用。
（2）體積和重量小，涉及的元器件較少，在pcb布線優(yōu)化后，可以極大的減小該儀器的體積和去掉不必要的重量，便于攜帶。
（3）采用多種供電方式，現(xiàn)在常用的儀器一般都是單一供電方式，我們采用電池供電，提供通用的usb供電接口，可以用電腦usb接口、手機(jī)充電器供電等。
（4）智能化可編程，十分適合電子類專業(yè)師生、學(xué)習(xí)者和電路設(shè)計(jì)及制作愛好者使用。在空閑時(shí)間個(gè)人感興趣的話可以對(duì)該儀器進(jìn)行軟件層面的優(yōu)化，即可使用，還可當(dāng)作開發(fā)板一樣學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。
由于該測(cè)量?jī)x電路所含元器件少，并且?guī)缀蹙鶠槌Ｓ迷骷?，制作工藝?jiǎn)單，且在多數(shù)情況下可代替電阻測(cè)量?jī)x、電感測(cè)試儀、電容測(cè)試儀等設(shè)備，因此具有較好的發(fā)展前景。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果
技術(shù)路線：
本項(xiàng)目產(chǎn)品是基于單片機(jī)開發(fā)，采用pcb工藝制板，旨在減少產(chǎn)品的體積和重量，使其便攜式更加具體明顯；采用常用的電子元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序編程，旨在降低成本。因?yàn)楸卷?xiàng)目要測(cè)量電阻電容電感多個(gè)量，本項(xiàng)目采用按鍵來選擇不同功能和不同量程。按鍵流程圖如圖1所示。
圖1按鍵流程圖
在開始進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先要進(jìn)行初始化操作，然后檢測(cè)是否有按鍵按下操作，如果有，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，操作執(zhí)行完后，如果無需再進(jìn)行測(cè)量則結(jié)束，如果還需要進(jìn)行測(cè)量則系統(tǒng)繼續(xù)檢測(cè)是否有按鍵按下操作，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。
圖2單片機(jī)測(cè)量流程圖
yes
No
圖3編程思想流程圖
本項(xiàng)目是分模塊對(duì)電阻電容電感進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量以單片機(jī)為核心，分為按鍵電路，LC振蕩電路，RC電路，電阻測(cè)量電路及顯示電路。本項(xiàng)目采用LC振蕩電路用來測(cè)量小電容和電感；采用RC電路來測(cè)量電解電容；用555電路來測(cè)量電阻；最后經(jīng)過顯示電路用1602將所測(cè)量出的相應(yīng)值送人1602進(jìn)行顯示。單片機(jī)測(cè)量流程圖如圖2所示（見上頁(yè)），編程流程圖如圖3所示（見上頁(yè)）。
電阻測(cè)量：
利用555多諧振蕩電路將電阻參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率f是單片機(jī)很容易處理的數(shù)字量，一方面測(cè)量精度高，另一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機(jī)具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量更為簡(jiǎn)便可行，節(jié)約成本。所以，本次設(shè)計(jì)選定以555對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量圖如圖4所示。
圖4電阻測(cè)量圖
其計(jì)算公式如下：
本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)分四大部分：測(cè)量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測(cè)頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。
電解電容測(cè)量：
電解電容的測(cè)量是基于對(duì) 電路的時(shí)間常數(shù)的計(jì)算，電容的充電速度與和的大小有關(guān)，與 的乘積越大，充電時(shí)間就越長(zhǎng)。這個(gè) 的乘積就叫做電路的時(shí)間常數(shù) ，即 。若的單位用歐姆，的單位用法拉，則的單位為秒。
圖5所示曲線可以得到充電過程的一般規(guī)律： 是按指數(shù)規(guī)律上升的，開始變化較快，以后逐漸減慢，并緩慢地趨近其最終值，當(dāng) 時(shí)， ( 為電源電壓)；本測(cè)量?jī)x就是利用單片機(jī)測(cè)量 到0.632這段時(shí)間，用下列式子計(jì)算計(jì)算被測(cè)電容值：
圖5電容充電圖
小電容和電感測(cè)量：
電路是一個(gè)由LM393組成的 振蕩器。由單片機(jī)測(cè)量振蕩回路的頻率 ，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電容 ，測(cè)出電感 的值。
電容 、電感 的值，分別用下列式子計(jì)算：
 
其中，是固有頻率， 是接入測(cè)試電容、電感后的頻率。
預(yù)期成果：
（1）預(yù)期在2020年12月完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試等.通過該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制作，項(xiàng)目成員可以更加熟練的掌握單片機(jī)等一系列的相關(guān)知識(shí)和實(shí)踐技能，可以提高對(duì)電路的分析能力和解決問題及動(dòng)手能力，激發(fā)大腦活躍的思維。
（2）公開發(fā)表論文一篇。
（3）最終的研究成果會(huì)以實(shí)物的形式進(jìn)行展示，并在2021年5月左右結(jié)題完成相關(guān)的綜合分析和結(jié)題報(bào)告。
（七） 項(xiàng)目研究進(jìn)度安排
在2019年9到2020年3月查閱相關(guān)資料完成方案的選擇，分別確定好電阻測(cè)量方案，電容測(cè)量方案，電感測(cè)量方案，并從整體布局考慮，確定最終的總方案。
在2020年4月到6月確定要采購(gòu)的元器件，并熟悉每個(gè)元器件的功能及作用，比較不同元器件對(duì)該設(shè)計(jì)的不同影響，最終確定項(xiàng)目所需要的元器件。
在2020年7月到9月用altiumdesigner完成原理圖的設(shè)計(jì)及部分電路的仿真。
在2020年10月到2020年12月完成電路的基本設(shè)計(jì)，制作pcb板，焊接電路。
在2021年1月到3月根據(jù)電路原理圖及各電路的工作原理，編寫程序,并調(diào)試程序。
在2021年4月到5月，完成相關(guān)報(bào)告，準(zhǔn)備結(jié)題。
（八） 已有基礎(chǔ)
1. 與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)
本課題組對(duì)電阻、電容、電感的測(cè)量原理已深入掌握，對(duì)本課題已有了初步的設(shè)計(jì)方案，能熟練應(yīng)用stc89c52單片機(jī)的各種功能。
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
長(zhǎng)沙理工大學(xué)已具備完成該課題的實(shí)驗(yàn)條件。
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