簡易數(shù)字式電阻、電感和電容測量儀 精品.doc

簡易數(shù)字式電阻、電感和電容測量儀1 系統(tǒng)總體方案設計1.1系統(tǒng)方案選擇方案一.基于模擬電路的測量儀利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時間常數(shù)法和同步分離法等，雖然避免了編程的麻煩，但電路復雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。方案二.可編程邏輯控制器(PLC) 采用PLC對硬件進行控制，應用較為廣泛。它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設計中可采用PLC對硬件進行控制，但是用PLC實現(xiàn)價格相對昂貴，成本過高。 方案三.利用LRC振蕩電路與單片機結(jié)合利用LRC振蕩電路將電阻、電容和電感參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率模擬信號，此模擬量由高精度AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這樣由單片機處理數(shù)字量，能夠滿足測量精度高、易于實現(xiàn)自動化測量等設計需要，而且單片機構(gòu)成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性、系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活，容易構(gòu)成各種規(guī)模的系統(tǒng)。通過對上述方案的比較，利用LRC振蕩電路與單片機結(jié)合實現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本系統(tǒng)選定已MSP430F149單片機為核心來實現(xiàn)對電阻、電容和電感測量的設計。1.2系統(tǒng)軟硬件總體設計1.2.1硬件部分硬件設計主要分為四部分：(1)用RC和RL電路實現(xiàn)LRC振蕩電路的功能，測量電阻、電容、電感模塊。(2)利用MSP430F149單片機自帶的AD實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的功能。(3) MSP430F149單片機接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并做相應的處理，根據(jù)按鍵狀態(tài)控制測量的類型和單位。(4)測量結(jié)果顯示部分，采用的是12864液晶顯示器。系統(tǒng)硬件設計總體框圖如下：12864液晶顯示模塊鍵盤控制模塊MSP430F149單片機電阻、電感、電容測量模塊圖1-1 系統(tǒng)硬件框圖 1.2.2軟件部分軟件設計主要分為四部分：(1) 控制測量程序,單片機控制測量程序不僅擔負著量程的識別與轉(zhuǎn)換,而且還負責數(shù)據(jù)的修正和傳輸; (2) 按鍵處理程序，根據(jù)按鍵的狀態(tài)做相應的功能設置; (3) 電阻電感電容計算程序,單片機根據(jù)A/ D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電容值; (4) 液晶顯示程序。本系統(tǒng)的程序總體框圖如下：圖1-2 系統(tǒng)軟件框圖2系統(tǒng)模塊設計2.1硬件模塊設計2.1.1電感電容測量模塊電路圖2-1的核心是由LM311組成的LC振蕩器。圖2-1電感電容測量 測量的原理是由單片機通過對LM311輸出端進行頻率的采樣，然后依據(jù)采集到的頻率再計算出對應的電容或電感值。為了提高測量的精度，采用了以一個已知的標準電容L2為基準。由一個1000PF的聚苯乙烯電容和一個20PF的瓷介質(zhì)電容并聯(lián)而成，精度低，當C2未接入電路時，由L1、C1組成的振蕩器的頻率然后將C2與C1并聯(lián)，這時,由L1和C1+C2組成的振蕩器的頻率通過計算得： （2-1）和 （2-2）可以看出L1和C1是基于已知的標準電容C2和兩次測量的頻率F1和F2計算出來的因此及準確性主要取決于標準電容的精度。測算出F1、L1和C1之后，再用待測的電容Cx代替出C2接入回路中，測出的由L1和C1+Cx組成的振蕩器的頻率F2,由公式 （2-3）就可以求出Cx。同理也可以用公式 （2-4）測出Lx。2.1.2電阻測量模塊電路圖2-2是一個由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路。圖2-2電阻測量它的振蕩周期T=(2)（R4+2Rx）C8 ，故可以導出 R4+2Rx=1/（2）C8f）可以求得Rx為使振蕩頻率保持在10kHz-100kHz這一段單片機計數(shù)的高精度范圍內(nèi)，需選擇合適的C8值和R4值。同時不使電阻功耗過大，在第一個量程選擇R4=200歐姆，C8=0.22uf；第二個量程R4=20k歐姆，C8=1000pf。這樣，第一個量程中，Rx=100歐姆時（下限），有一個相應的頻率輸出。第二個量程中，Rx=1M時（上限）時，有一個相應的頻率輸出。 因為RC振蕩的穩(wěn)定度可達10，單片機測量頻率最多誤差一個脈沖，所以由單片機測頻率值引起的誤差在百分之一以下。量程自動轉(zhuǎn)換原理，單片機在第一頻率的記錄中發(fā)現(xiàn)頻率過小，即通過繼電器轉(zhuǎn)換量程。再測頻率。求出Rx的值。2.1.3主控制模塊 本模塊采用低功耗的MSP430F149微處理器控制AD裝換，并對轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進行接收和處理；通過按鍵控制測量的類型和單位。2.1.4 AD采樣模塊本模塊利用MSP430F149單片機自帶的AD轉(zhuǎn)換功能把整流濾波后的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機能夠處理的數(shù)字信號，并傳送給處理器。2.1.5 液晶顯示模塊通過LCD驅(qū)動程序?qū)SP430F149處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定顯示，在測試期間顯示能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，當離開測試能夠迅速歸零。2.2軟件模塊設計2.2.1 控制測量程序模塊單片機控制測量程序不僅擔負著量程的識別與轉(zhuǎn)換,而且還負責數(shù)據(jù)的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態(tài)直接決定著整個測量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測量程序?qū)φ麄€測量來說至關重要。控制測量流程圖如圖3-1所示。圖3-1 控制測量程序流程圖2.2.2按鍵處理程序模塊開始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操？作？有無按鍵處理程序的主要功能是設置測量的類型和測量的檔位，當有按鍵被按下時就執(zhí)行相應的按鍵功能，流程如圖3-2所示。圖3-2按鍵處理程序流程圖2.2.3電阻電感電容計算程序單片機根據(jù)A/ D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電容值，該程序流程圖如圖3-3所示。圖3-3電阻電感電容計算程序流程圖2.2.4液晶顯示程序模塊該程序模塊只有一個功能，就是對測量結(jié)果清晰正確的顯示出來，并能夠保持穩(wěn)定。程序流程圖如圖3-4所示。圖3-4液晶顯示程序模塊流程圖3系統(tǒng)測試3.1測試原理在系統(tǒng)設計中，以MSP430F149單片機為核心的電阻、電容、電感測試儀，將電阻，電容，電感，使用對應的振蕩電路轉(zhuǎn)化為電壓實現(xiàn)各個參數(shù)的測量。將頻率模擬電壓信號送入AD采樣，通過AD把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再把數(shù)字信號送入MSP430F149單片機處理。以IAR Embedded Workbench為仿真平臺，使用C語言編寫了系統(tǒng)應用軟件；包括主控制模塊、顯示模塊、電阻測試模塊、電容測試模塊和電感測試模塊。3.2測試方法在測試時將被測參數(shù)通過本系統(tǒng)測量出來的示值與參數(shù)的標稱值進行對比，得到本系統(tǒng)的測量精度。測試儀器為示波器和萬用表。3.3測試結(jié)果通過按鍵操作，實現(xiàn)測量類型和量程的選擇，根據(jù)測量結(jié)果對設計進一步進行校正和對實現(xiàn)功能的可靠性的確認。測試結(jié)果如下：1電阻測試數(shù)據(jù)如表1所示。表1電阻測試數(shù)據(jù)標稱值()系統(tǒng)測量（）相對誤差(%)6.7k6.9k2.9%8.8k8.9k1.13%19.8k20.4k3.3%117k117140k0.12%500k489.205k2.2%2電容測試數(shù)據(jù)如表 2所示。表 2電容測試數(shù)據(jù)讀取示值（pF）標稱值（pF）相對誤差值（%）1160100016%6000510017%10800100008%3電感測試數(shù)據(jù)如表3所示表 3電感測試數(shù)據(jù)讀取示值（mH）標稱值（mH）相對誤差值（%）3.4測試分析在實際測量中，由于測試環(huán)境，測試儀器，測試方法等都對測試值有一定的影響，都會導致測量結(jié)果或多或少地偏離被測量的真值。為了減小本設計中誤差的大小，主要利用修正的方法來減小本測試儀的測量誤差。所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中，求取某類系統(tǒng)誤差的修正值。在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取合適的修正值很關鍵，修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關資料中查?。坏诙N途徑是通過理論推導求?。坏谌N途徑是通過實驗求取。本測試修正值選取主要通過實驗求取，對影響測量讀數(shù)的各種影響因素，如溫度、濕度、電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差。通過對相同被測參數(shù)的多次測量結(jié)果和不同被測參數(shù)的多次測量選取平均值，最后確定被測參數(shù)公式的常數(shù)K值，從而達到減小本設計系統(tǒng)誤差的目的。由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成，所以由振蕩電路產(chǎn)生的被測參數(shù)對應的頻率有一定的誤差，所以只能通過多次實驗測量，選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差。4系統(tǒng)總結(jié)本系統(tǒng)采用單片機和LRC數(shù)字電橋結(jié)合的方式實現(xiàn)了一個簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀，到達了系統(tǒng)基本要求。本儀器利用單片機技術實現(xiàn)了電感電容測量的智能化設計,而且系統(tǒng)性能穩(wěn)定,測量精度較高,相對誤差小,操作簡單,具有較強的實用性。當然本系統(tǒng)還存在著許多需要改進的地方，比如還可以繼續(xù)提高測量的精度和加大測量的范圍。因為是采