簡易數(shù)字式電阻、電感、電容測試儀[1]

1、 簡易數(shù)字式電阻、電感、電容測試儀設計報告 學校:西安科技大學設計成員:。指導老師:朱代先時間:2010年8月13日簡易數(shù)字式電阻、電感和電容測量儀摘要本系統(tǒng)主控制部分采用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149。以自制電源作為LRC測量模塊和各個主要控制芯片的輸入電源,測量原理是通過測量電阻、電容或者電感和標準電阻各自的引起的頻率變化,利用頻率與電阻、電容、電感的函數(shù)關系推算出電阻值、電容值或者電感值。測量的原理是LM311組成的LC震蕩器的震蕩回路的頻率由單片機采樣,然后再依據(jù)震蕩頻率計算出對應的電容或電感值,以及由NE555多諧振蕩電路實現(xiàn)對電阻的測量。軟件設計部分使用C語言編

2、程編寫了包括控制測量程、按鍵處理、電阻電感電容計算、液晶顯示程序。利用MSP430F149單片機控制測量和計算結果,測量結果采用12864液晶模塊實時顯示。關鍵詞: MSP430F149、NE555芯片、LRC測量、12864液晶目錄1 系統(tǒng)總體方案設計 (11.1系統(tǒng)方案選擇 (11.2系統(tǒng)軟硬件總體設計 (11.2.1硬件部分 (11.2.2軟件部分 (22系統(tǒng)模塊設計 (32.1硬件模塊設計 (32.1.1電感電容測量模塊 (32.1.2電阻測量模塊 (42.1.3主控制模塊 (52.1.4 AD采樣模塊 (52.1.5 液晶顯示模塊 (52.2軟件模塊設計 (52.2.1 控制測量程序

3、模塊 (52.2.2按鍵處理程序模塊 (62.2.3電阻電感電容計算程序 (72.2.4液晶顯示程序模塊 (73系統(tǒng)測試 (83.1測試原理 (83.2測試方法 (83.3測試結果 (83.4測試分析 (94系統(tǒng)總結 (9參考文獻: (101 系統(tǒng)總體方案設計利用模擬電路,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

4、,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。利用LRC振蕩電路將電阻、電容和電感參數(shù)轉化為頻率模擬信號,此模擬量由高精度AD轉換芯片轉換為數(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。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,

5、測量電阻、電容、電感模塊。(2利用MSP430F149單片機自帶的AD實現(xiàn)模擬信號轉換為數(shù)字信號的功能。(3 MSP430F149單片機接收轉換后的數(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:簡易數(shù)字式電阻、電感、電容測試儀2圖1-1 系統(tǒng)硬件框圖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 轉換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電

6、容值; (4 液晶顯示程序。本系統(tǒng)的程序總體框圖如下:控制測量模塊液晶顯示模塊按鍵處理模塊計算模塊控制結果圖1-2 系統(tǒng)軟件框圖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32系統(tǒng)模塊設計電路圖 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 的瓷介質電容并聯(lián)而成, 精度低, 當 C2未接入電路時, 由 L

7、1、 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:(F F C F C 22212221-÷=(2-1 和 C F L 1212141= (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4C F F CX 122211 -= (2-3 就可以求出 Cx 。同理也可以用公式 L F F

8、LX -=122211 (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

9、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 10³, 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,即通過繼電器轉換量程。再 測頻率。求出 Rx 的值。本模塊采用低功耗的 MSP430F149微處理器控制 AD 裝換,并對轉換結果數(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 轉換功能把整流濾波后的模擬信號轉換為單片機能夠 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 驅動

10、程序對 MSP430F149處理后的結果數(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。2.2.1 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 , 所以控制測量程序對整個測量來說至關重 要?？刂茰y量流程圖如圖 3-1所示。56 圖 3-1 控制測量程序流程圖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。無圖 3-2按鍵處理程序流程圖單片機根據(jù) A/ D 轉換得到的電壓值計算出電阻、電感

11、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該程序模塊只有一個功能,就是對測量結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7簡易數(shù)字式電阻、電感、 簡易數(shù)字式電阻、電感、電容測試儀 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 把模擬信號轉換為數(shù)字信號，再把數(shù)字信號送入 MSP430F149 單片機處理。以 IAR E

12、mbedded 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 ( 6.7k 8.8k 19.8k 117k 500k 系統(tǒng)測量 （） 6.9k 8.9k 20.4k 11

13、7140k 489.205k 相對誤差 (% 2.9% 1.13% 3.3% 0.12% 2.2% 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） 1160 6000 10800 標稱值 （pF） 1000 5100 10000 相對誤差值 （%） 16% 17% 8% 3電感測試數(shù)據(jù)如表 3 所示 8 簡易數(shù)字式電阻、電感、 簡易數(shù)字式電阻、電感、電容測試儀 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 量結果或多或少地偏離被測量的

14、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??；第二種途徑是通過理論推導求??；第三種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 本系統(tǒng)采用單片機和 LRC 數(shù)字電橋結合的方式實現(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