RLC测试仪简易制作

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R、L、C测量仪

摘要：把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路。单片机计数得出被测频率，由该频率计算出各个参数值，数据处理后，送显示。

关键词：RC振荡电路 LC电容三点式

R、L、C measure instrument

Abstract:The resistance、the inductance and the capacitance are translated into frequency on account of RC surging circuit and LC surging circuit。 Single chip was measured frequency and puted each parameter value from this frequency，showing the parameter。 Key words:RC surging circuit LC surging circuit.

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目 录

第一章系统设计3

1．1 设计要求3

1．1．1 设计任务3 1．1．2 技术要求3 1．2 方案比拟3 1．3 方案论证4

1．3．1 总体思路4 1．3．2 设计方案4

第二章主要电路设计与说明5

2．1 TS556芯片简介5

2．1．1 芯片的顶视图及各引脚的功能5 2．1．2 芯片的等效功能方框图及工作原理5 2．2 CD4066芯片的简介7 2．3测RX的RC振荡电路7

2．3．1 用556时基电路构成多谐振荡器7 2．3．2 测量电阻的电路模块9 2．4 测CX的RC振荡电路10 2．5 测LX的电容三点式振荡电路11

第三章软件设计11 第四章系统测试12

4．1 测试仪器12

4．2 指标测试及误差分析12

4．2．1 电阻的测量12 4．2．2电容的测量13 4．2．3电感的测量13

第五章总结13 参考文献13 附录14

1 元器件清单14 2 程序清单15 3 总体电路图17 4 印制板图18 5 系统使用说明19

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附录附录附录附录附录

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第一章 系统设计

1．1设计要求

1．1．1 设计任务

设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪，示意框图如下：

1．1．2 技术要求

根本要求 〔1〕测量围

电阻 100Ω～1MΩ

电容 100 pF～10000 pF 电感 100 μH～10 mH 〔2〕测量精度+5％

〔3〕制作4位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类

别和单位 发挥局部

〔1〕扩大测量围 〔2〕提高测量精度 〔3〕测量量程自动转换

1．2方案比拟

目前，测量电子元件集中参数R、L、C的仪表种类较多，方法也各不一样，这些方法都有其优缺点。

电阻R的测试方法最多。最根本的就是根据R的定义式来测量。在如图1.2.1中，分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压，根据公式R?U/I求得电阻。这种方法要测出两个模拟量，不易实现自动化。而指针式万用表欧姆档是把被测电阻与电流一一对应，由此就可以读出被测电阻的阻值，如图1.2.2所示。这种测量方法的精度变化大，假设需要较高的精度，必须要较多的量程，电路复杂。

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能同时测量电器元件R、L、C的最典型的方法是电桥法〔如图1.2.3 〕。电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。电桥的平衡条件为

Z1?Zn?ej?(?1??n)?Z2?Zx?ej?(?2??x)

通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。

Q表是用谐振法来测量L、C值〔如图1.2.4〕。它可以在工作频率上进展测量，使测量的条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。

图 1.2.4

用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量围很窄。

很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思想，我们把电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也防止了由指针读数引起的误差。

1．3方案论证

1．3．1 总体思路

本设计中把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数那么可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。

1．3．2 设计方案

该设计方案的总体方框图如图1.3.1所示。

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图1.3.1 设计的总体方框图

第二章 主要电路设计与说明

2．1 TS556芯片简介

方案选择中，利用555时基电路构成多谐振荡器来测量电阻R、电容C，为了测量两个物理量需要两块555时基电路，为节省一局部硬件空间，以一片556时基电路来代替。

2．1．1 芯片的顶视图及各引脚的功能

556双时基集成是S型的，含两个一样的555时基电路，它的顶视图如下列图2.1.1所示，双列直插14脚封装。

图2.1.1 555时基电路顶视图

顶视图各引脚的功能分别为：1、13脚：放电；2、12脚：阈值；3、11脚：控制；4、10脚：复位；5、9脚：输出；6、8脚：置位触发；7脚：GND；14脚：+电源Vcc。

2．1．2 芯片的等效功能方框图及工作原理

芯片的等效功能方框图如下列图2.1.2所示，由于556双时基集成块含两个一样的555

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时基电路，它的等效功能方框图与一个555时基电路的等效功能方框图一样，在下面的分析中，可就

1个556芯片单独分析。 2

图2.1.2 555时基电路等效功能方框图

芯片的工作原理

1TS556的等效功能框图中包含两个S电压比拟器A和B，一个RS触发器，一个反相2器，一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW，三个阻值相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比拟器A和下比拟器B分别提供的偏置电压。当上比拟器A的同相输入端R高于反相输入端电位平，RS触发器翻转，输出端Vo为逻辑“0”电平。即当VTH>处于复位状态；而当置位触发端S的电位，即VS≤

21Vcc和Vcc332Vcc时，A输出为高电32Vcc时，Vo为 “0”电平，31Vcc时，下比拟器B的输出为“1”，31RS触发器置位，输出端Vo为“1”电平。即当VS≤Vcc时，Vo为 “1”电平，处于置位

31状态。可见，该TS556的等效功能框图相当一个置位—复位触发器。在RS触发器，还设

2置了一个强制复位端MR，即不管阈值端R和置位触发端S处于何种电平，只要使MR=

“0”，那么RS触发器的输出必为“1”，从而使输出Vo为“0”电平。从芯片的等效功能方框图得出各功能端的真值表，如表2.1.1所示。

表2.1.1 556芯片各功能端的真值表 MR〔强制复位〕 S〔置位触发〕 × 0 1 1 R〔复位触发〕 × × 1 0 Vo〔输出〕 0 1 0 保持原电平 0 1 1 1 - word.zl

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1注：“0〞→ 电平≤Vcc

3“1〞→ 电平 >2Vcc

3“×〞→表示任意电平

2．2 CD4066芯片的简介

在电路中采用CD4066四路模拟开关来实现不同量程的相互转换。

CD4066芯片〔全称：四路模拟开关集成电路〕部含有A、B、C、D四路模拟开关，A路模拟开关由引脚13控制、B路模拟开关由引脚5控制、C路模拟开关由引脚6控制、D路模拟开关由引脚12控制。所有的控制引脚由软件编程控制，当控制线由软件置“1”时，该模拟开关闭合，当控制线由软件置“0”时，该模拟开关断开，且四路模拟开关可独立使用。CD4066的部构造图如图2.2.1所示：

图2.2.1 CD4066的部构造图

2．3测RX的RC振荡电路

2．3．1 用556时基电路构成多谐振荡器

在电路中采用RC振荡电路来测量电阻R、电容C的值，用556时基电路构成RC振荡器。如图2.3.1〔a〕所示，将式。

1556与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模2- word.zl

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图2.3.1〔a〕 电路图

图2.3.1〔b〕 波形图

当加上VCC电压时，由于C上端电压不能突变，故

1556处于置位状态，输出端〔5/9〕2呈高电平“1〞，而部的放电S管截止，C通过RA和RB对其充电，6/8脚电位随C上端电压的升高呈指数上升，波形如图2.3.1〔b〕所示。

2Vcc阈值电平〔2/12脚〕时，上比拟器A翻转，使3RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出VO呈低电平“0〞。此时，放电管饱和导通，C上的

1电荷经RB至放电管放电。当C放电使其电压降至Vcc触发电平〔6/8脚〕时，下比拟器B

3翻转，使RS触发器复位，经缓冲级倒相，输出VO呈高电平“1〞。以上过程重复出现，形

当C上的电压随时间增加，到达成无稳态多谐振荡。

由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间t1就是C上的电压从

12Vcc充电到Vcc所需的时间，故C两端电压的变化规律为 33UC(t)?VCC(1?e?t/(RA?RB)C1)?VCCe?t/(RA?RB)C

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设?1?(RA?RB)C，那么上式简化为

2UC(t)?VCC(1?e?t/?1)

3从上式中求得

t1???1ln1?0.6932?1 2一般简写为

t1?0.6932(RA?RB)C 21电路间歇期t2就是C两端电压从Vcc充电到Vcc所需的时间，即

332UC(t)?VCCe?t/RBC

3从上式中求得t2，并设?2?RBC，那么

1t2???2ln?0.693?2

2一般简写为

t2?0.693RBC

那么电路的振荡周期T为

T?t1?t2?0.693(?1??2)?0.693(RA?2RB)C 振荡频率f?1/T，即

f?1.443/(RA?2RB)C(Hz)

输出振荡波形的占空比为

D?t1/T?(RA?RB)/(RA?2RB)

从上面的公式推导，可以得出〔1〕振荡周期与电源电压无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅C、RA、RB的值有关。〔2〕振荡波的占空比与C的大小无关，而仅与RA、

RB的大小比值有关。

2．3．2 测量电阻的电路模块

图2.3.2是一个由

1556时基电路构成的多谐振荡电路，由该电路可以测出量程在100Ω～ 21MΩ的电阻。该电路的振荡周期为

T?t1?t2?(In2)(R?Rx)C?(In2)RxC?(In2)(R?2Rx)C

其中t1为输出高电平的时间，t2为输出低电平的时间。那么：

R?2Rx?1

(In2)Cf为了使振荡频率保持在10100kHz这一段单片机计数的高精度围，需选择适宜的C和R的值。第一个量程选择R?200?,C?0.22uF，第二个量程选择R?20k?,C?1000pF。这样，第一个量程中，RX?100?时

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f?1(In2)C(R?2RX)1.4430.22?10?6?(200?200)?16.4kHZ?

第二个量程中，RX?1M?时

f?1(In2)C(R?2RX)1.4431?10?9?(20?103?2?106)?714kHZ?

因为RC振荡的稳定度可达10-3，单片机测频率最多误差一个脉冲，所以用单片机测频率引起的误差在百分之一以下。

在电路中之所以选用可调电位器是因为CD4066的阻并不清楚，在进展测量之前需要进展校准。把标准电阻插在JP2插接口上，调节电位器，使数码管显示标称阻值。在以后的测量过程中，便可直接测量电阻。利用P1.0〔TR1〕、P1.1〔TR2〕口通过软件编程的方法来控制CD4066的改变，实现量程的转换

图2.3.2 测量电阻的电路

2．4 测CX的RC振荡电路

测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路完全一样。其电路图如图2.4.1所示。 假设R24=R28或者 R25= R29，那么f?两个量程的取值分别为 第一量程：R24?R28=510K? 第一量程：R25?R29=10K?

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1

3(ln2)RCX- -

其分析过程如测量电阻的方法一样，这里就不在赘述了。

图2.4.1 测量电容的电路

2．5 测LX的电容三点式振荡电路

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图2.5.1所示。三点式电路是指：LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。 在这个电容三点式振荡电路中，C4 C5分别采用1000pF、2200pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。 振荡公式：

1，其中 C?C4C5 f?C4?C52?LC那么电感的感抗为

1L?22

4?fC在测量电感的时候，发现电感起振频率非常的高，大致到达3MHz左右，而单片机的最大计数频率大约为500KHz，在频率方面达不到测量电感频率，于是我们把测电感的电容三点式电路得出的频率经过由两片74LS160组成八位计数器作为分频电路对该频率进展分频，有30000002?11719，满足单片机计数要求。

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图2.5.1 测量电感的电路

第三章 软件设计

本系统软件设计的主流程图如图3.1所示。对系统初始化之后，判断是否有按键按下。以测电阻为例，测量的电阻经RC振荡电路转换为频率f，根据测电阻的换算公式，利用单片机软件编程，测量出其阻值并送显示。如果量程不够大，按下量程转换键转换为大量程，进展测量。

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图3.1 软件设计的主流程图

第四章 系统测试

4．1测试仪器

测试仪器如下表4.1.1。

表4.1.1

序号 1 名称、型号、规格 DT—9205A数字万用表〔3位半〕 数量 1 备注 4．2指标测试及误差分析

4.2.1 电阻的测量

电阻的一组测量数据如下表4.2.1所示：

表4.2.1

电阻标值 330Ω 2.4 KΩ 47 KΩ 100KΩ 220 KΩ 1MΩ 万用表读数 本仪表读数 相对误差﹪ 误差分析： 相对误差计算公式

R万?R仪R万?100%

从上面的一组数据上来看，在测量低于1KΩ阻值和接近1MΩ阻值的电阻时，相对误差会大一些。造成这个现象的主要原因是在设计中采用的CD4066〔四路模拟开关〕的阻较大，经测量其阻到达了180Ω左右，这样在测量电阻值小的电阻时，它的阻就不能忽略，造成测量误差的增大。 4.2.2 电容的测量

电容的一组测量数据如下表4.2.2所示：

表4.2.2

电容标值 33nF 100nf 680nF 30Pf 万用表读数 28.3nf 101.4nf 621nF 31pF 本仪表读数 28.8nF 99.0nf 585nf 29pF 相对误差% 1.76 2.36 5.79 6.45 误差分析： 相对误差计算公式

R万?R仪R万?100%

从上面的数据可以看出，电容的标称值与用万用表测出的容值有较大的误差，其可能性原因：一是万用表本身存在着一定误差，二是元件本身也存在一定误差。受所用仪

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器，元期间的限制，测量精度并没有做的很高。

注意：由于建立RC稳定振荡的时间较长，在测量电阻和电容时，应在显示稳定后再读出数值。

4.2.3 电感的测量

电感的一组测量数据如下表4.2.3所示：

表4.2.3

电感标值 22mH 1mH 本仪表读数 25mH 0.9mH 第五章 总结

本设计完成题目所给的设计任务，制作了一台数字显示的电阻器、电容器和电感器参数测试仪，满足题目的根本要求和一局部发挥要求。运用单片机作为中央控制器和计算核心，使仪表有性能可靠、体积小、电路简单的特点。但是这种把元件参数转换成频率后测量的方法也有缺乏之处，主要是必须保证电路起振，并且振荡要稳定，否那么会增加误差。总体来说，本次设计是成功的。

参考文献

1 2 3 4

高桔祥.模拟电子技术. ：电子工业，2004年

高桔祥，黄智伟，丁文霞.数字电子技术. ：电子工业，2003年

全国大学生电子设计竞赛组委会.第一届〔1994年〕～第六届〔2003年〕全国大学生电子设计竞赛题目..nuedu...2003.12

全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编〔1999〕.：理工大学，2000年

附 录

附录1 元器件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 元件 AT89S52 74AHC138 CD4066BCJ TS556MN 74LS160 发光二极管 晶振12M 9014 数量 1 1 1 3 1 2 4 1 2 序号 14 15 16 17 18 19 20 21 22 元件 电位器502 电位器503 电容103 电容104 电容30pF 电解电容22uF 电容0.1uF 电阻1K 电阻2K 数量 2 3 1 7 2 1 2 2 - word.zl

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10 11 12 13 9012 共阳四位一体数码管 轻触开关 电位器103 8 2 4 1 23 24 25 26 电阻10K 电阻100K 插接件 电源插接件 2 2 3 2

附录2 程序清单

------------------------------------------------------------------------------- 本设计程序由C语言编写 主程序名： RLCTest.h

程序实现的主要功能：把R、L、C转换的频率，通过编程求出其值，送；lcd显示 ------------------------------------------------------------------------------- #include void mand_init(void); #include void write_mand(uchar mand); #include void write_data(uchar data0); #define uchar unsigned char void delay(uint m) #define uint unsigned int {while(m--);} sbit rs=P2^0; void main (void) sbit rw=P2^1; { sbit en=P2^2; lcd_int(); sbit psb=P2^3; lcd_set(); sbit ret=P2^5; display1();//欢送使用 unsigned char code while(1)

table[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35, { 0x36,0x37,0x38,0x39,0x20,0x3a, if(k1==0)//zu 0x2e,0x60,0x43}; { uchar mand,lcd_bufg,lcd_buf1; mand_init(); uint count; clear_lcd(); unsigned long int cot; display2(); sbit k1=P1^0; TR0=1; sbit k2=P1^1; TR1=1; sbit k3=P1^2; while(TR0==1); void lcd_int(); cot=TH1*256+TL1; void lcd_set(); shuju1(); void display(); } void display1(); if(k2==0)//rong void display2(); { void display3(); mand_init(); void display4(); clear_lcd(); void clear_lcd(); display3(); void shuju1(void); TR0=1; void shuju2(void); TR1=1; void shuju3(void); while(TR0==1);

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- cot=TH1*256+TL1; shuju2(); } if(k3==0)//gan { mand_init(); clear_lcd(); display4(); TR0=1; TR1=1; while(TR0==1); cot=TH1*256+TL1; shuju3(); } } }

void clear_lcd(void) {

mand=0x01;write_mand(mand); mand=0x34;write_mand(mand); mand=0x30;write_mand(mand); }

void lcd_set(void)//lcd设置 { mand=0x34; write_mand(mand); mand=0x30; write_mand(mand); mand=0x01; write_mand(mand); mand=0x06; write_mand(mand); mand=0x0c; write_mand(mand); }

void lcd_int(void)//lcd选定 { ret=0; delay(20); ret=1; _nop_(); psb=1; _nop_(); } - -

void write_mand(uchar mand)//写命令 { delay(200); rs=0; rw=0; P0=mand; en=1; _nop_(); _nop_(); en=0; }

void write_data(uchar data0)//写数据 { delay(200); rs=1; rw=0; P0=data0; en=1; _nop_(); _nop_(); en=0; }

void display(void) {

write_mand(mand); write_data(lcd_bufg); write_data(lcd_buf1); }

void display1(void)//欢送使用

{mand=0x92;lcd_bufg=0xbb;lcd_buf1=0xb6;di

splay();

mand=0x93;lcd_bufg=0xd3;lcd_buf1=0xad;dis

play();

mand=0x94;lcd_bufg=0xca;lcd_buf1=0xb9;dis

play();

mand=0x95;lcd_bufg=0xd3;lcd_buf1=0xc3;dis

play(); }

void display2(void)//电阻为

{mand=0x92;lcd_bufg=0xb5;lcd_buf1=0xe7;di

splay();

mand=0x93;lcd_bufg=0xd7;lcd_buf1=0xe8;dis

play();

mand=0x94;lcd_bufg=0xce;lcd_buf1=0xaa;disp

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lay();

}

void display3(void)//电容为

{mand=0x92;lcd_bufg=0xb5;lcd_buf1=0xe7;di

splay();

mand=0x93;lcd_bufg=0xc8;lcd_buf1=0xdd;dis

play();

mand=0x94;lcd_bufg=0xce;lcd_buf1=0xaa;disp

lay(); }

void display4(void)//电感为

{mand=0x92;lcd_bufg=0xb5;lcd_buf1=0xe7;di

splay();

mand=0x93;lcd_bufg=0xb8;lcd_buf1=0xd0;dis

play();

mand=0x94;lcd_bufg=0xce;lcd_buf1=0xaa;disp

lay(); }

void shuju1(void)//电阻值处理 {cot=((1430000000/cot)-45000);

mand=0x8b;lcd_bufg=table[cot/10000];lcd_buf

1=table[(cot/1000)];display();

mand=0x8c;lcd_bufg=table[(cot/100)];lcd_

buf1=table[(cot/10)];display();

mand=0x8d;lcd_bufg=table[cot];lcd_buf1=

0x20;display();

mand=0x8e;lcd_bufg=0xa6;lcd_buf1=0xb8;dis

play(); }

void shuju2(void)//电容值处理 {

cot =((1000000000)/(cot*405));

mand=0x8b;lcd_bufg=table[cot/10000];lcd_buf

1=table[(cot/1000)];display();

mand=0x8c;lcd_bufg=table[(cot/100)];lcd_

buf1=table[(cot/10)];display();

mand=0x8d;lcd_bufg=table[cot];lcd_buf1=

0x20;display();

mand=0x8e;lcd_bufg=0x50;lcd_buf1=0x46;dis

play();

//mand=0x8f;lcd_bufg=0xa3;lcd_buf1=0xc6;d

isplay(); }

void shuju3(void)//电感值处理

- {

mand=0x8b;lcd_bufg=table[cot/10000];lcd_buf

1=table[(cot/1000)];display();

mand=0x8c;lcd_bufg=table[(cot/100)];lcd_

buf1=table[(cot/10)];display();

mand=0x8d;lcd_bufg=table[cot];lcd_buf1=

0x20;display();

mand=0x8e;lcd_bufg=0x75;lcd_buf1=0x48;dis

play();

//mand=0x8f;lcd_bufg=0xa3;lcd_buf1=0xc8;d

isplay(); }

void mand_init(void)//定时与计数设置 { TMOD=0x51;//定时器0定时//1，计

数 TH0=0x3c; TL0=0xb0; TH1=0x00; TL1=0x00; EA=1; ET0=1; ET1=1; }

void jishu(void) interrupt 3 using 2//计数器1

计数 { //cot++; }

void ss(void) interrupt 1 using 1//定时1秒//

定时器0定时 { count++; TH0=0x37; TL0=0xb0; if(count==18) { TR0=0;TR1=0; } }

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附录3 总体电路图

附录4 印制板图

附录5 系统使用说明

在测试系统时，用标准电阻、电容、电感调节电位器的值，校准各参数的值。

在测试电阻，按下测电阻的按键，假设量程不够，lcd上有数值溢出显示，按下量程切换键，切换到大量程。测电容、电感类似。

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