電阻、電容、電感測量儀的設(shè)計(jì)

1、電阻、電容、電感測量儀摘 要：基于對元器件參數(shù)測量設(shè)計(jì)的電阻、電容、電感測量儀系統(tǒng)由主控制器部分、A/D采樣部分、語音播報(bào)部分和顯示部分組成。設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89S52為主控核心器件，利用繼電器對凌陽單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，使其對放置元件端口進(jìn)行高速A/D采樣和語音播報(bào)，同時(shí)終端控制LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的電抗元件參數(shù)值和性質(zhì)。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)界面友好。關(guān)鍵詞：參數(shù)測量 A/D采樣 語音 LCD1引言分析賽題，本電阻、電容、電感測量儀系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)如下功能：1） 能夠自動(dòng)辨識(shí)出被測元件是電阻、電容還是電感，并實(shí)時(shí)顯示元件的阻值、容值和感值的大小。2） 能夠?qū)崿F(xiàn)電阻、電容和電感測

2、量的自動(dòng)切換,并實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。3） 電阻、電容和電感的測量誤差均小于0.5%。基于以上分析，采用模塊設(shè)計(jì)的方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，系統(tǒng)主要由主控制器部分、數(shù)據(jù)測量部分、A/D采樣部分、語音播報(bào)和顯示部分，具體的實(shí)現(xiàn)方案如系統(tǒng)主框圖1所示：圖1 系統(tǒng)主框圖2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證2.1主控制器的選擇在主控制器的選擇上我們有以下兩種方案：采用FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）作為系統(tǒng)的控制核心和基于單片機(jī)技術(shù)的控制方案。上述兩種控制方式除在處理方式和處理能力(速度)上的差異外，實(shí)現(xiàn)效果及復(fù)雜程度等方面也有顯著的區(qū)別。FPGA將器件功能在一塊芯片上，其外圍電路較少，集成度高。而單片機(jī)技術(shù)成熟，開發(fā)過

3、程中可以利用的資源和工具豐富、價(jià)格便宜、成本低。鑒于本設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)顯示，單片機(jī)的資源已經(jīng)能滿足設(shè)計(jì)的需求，而FPGA的高速處理的優(yōu)勢在這里卻得不到充分體現(xiàn)，因此本設(shè)計(jì)的控制方案模塊選用基于單片機(jī)控制方案。我們選擇技術(shù)成熟，性價(jià)比高的AT89S52單片機(jī)作為主控制器，同時(shí)采用凌陽其內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.0592MHz，執(zhí)行一個(gè)單周期指令所需時(shí)間為僅83nS，滿足本系統(tǒng)的軟件編寫需求。2.2 數(shù)據(jù)測量方案的選擇目前常用的智能RLC測試方法主要是阻抗-相角法和V-I復(fù)數(shù)法。V-I復(fù)數(shù) 1測量法，其基本思想是：根據(jù)電阻、電容、電感的復(fù)數(shù)表示形式，設(shè)法測出在固定幅值和相位值的電壓下，流經(jīng)被測電抗元件的電

4、流幅度值和相位值，然后由CPU計(jì)算出元件的各項(xiàng)指標(biāo)，如串聯(lián)等效、并聯(lián)等效等。阻抗-相角法即用被測元件與已知兩個(gè)固定阻抗相串聯(lián)，兩次測量Vi與Vo的之間的相位差，由儀器實(shí)測正弦波的頻率，然后由CPU計(jì)算出阻抗值，其硬件電路簡單且易于調(diào)試。基于以上分析可得：V-I復(fù)數(shù)測量法雖然測量的基準(zhǔn)度高，但同時(shí)對單片機(jī)計(jì)算能力的要求更高，不易實(shí)現(xiàn)，所以在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用易實(shí)現(xiàn)的阻抗-相角法。2.3 A/D采樣和語音播報(bào)結(jié)合賽題，實(shí)現(xiàn)對所測元件的電壓值進(jìn)行A/D采樣并實(shí)時(shí)進(jìn)行語音播報(bào)，而A/D采樣常用的是使用ADC轉(zhuǎn)換芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，這種A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)逐位逼近的方法產(chǎn)生數(shù)據(jù)的,在測量上存在一定的誤差，所

5、以為提高本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測試精準(zhǔn)度，采用凌陽SPCE061A單片機(jī)作為從控芯片，該單片機(jī)內(nèi)置8路10位ADC，計(jì)算能力強(qiáng)，避免了外界A/D轉(zhuǎn)換芯片存在的誤差，提高數(shù)據(jù)采集的精確度，同時(shí)該開發(fā)板集成了語音播報(bào)的硬件，通過軟件編程即可用于語音的采集和播報(bào)，集成開發(fā)環(huán)境中配有很多語音API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)比較簡單，解決由語音芯片播放語音不清楚的問題。2.4顯示設(shè)備的選擇本模塊的主要功能是能實(shí)時(shí)顯示描述系統(tǒng)狀態(tài)的各種信息狀態(tài)。LCD不僅顯示信息量大，畫面效果好，節(jié)省I/O口，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示部分選擇液晶屏128×64LCD顯示。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)經(jīng)過仔細(xì)分析與論證，選用系統(tǒng)各模塊的最終方案如下

6、：（1）控制器模塊：采用單片機(jī)AT89S52控制，且5V供電，符合工作條件。（2）數(shù)據(jù)測量模塊：采用阻抗-相角法實(shí)現(xiàn)。（3）A/D采樣模塊：采用凌陽單片機(jī)內(nèi)部AD（5）語音播報(bào)模塊：采用凌陽單片機(jī)集成語音播報(bào)（4）顯示模塊：采用LCD12864液晶屏顯示。3.1單元電路設(shè)計(jì)3.1.1 數(shù)據(jù)測量電路采用阻抗-相角法把電子元件的集中參數(shù)R、L、C轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f,然后用單片機(jī)計(jì)數(shù)后在運(yùn)算求出R、L、C的值。1）測量電阻：電阻的測量采用"脈沖計(jì)數(shù)法"，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測電阻的大小。該電路可以測出量程在1002M的電阻。該電路

7、的振蕩周期為：T=t1+t2=(In2)(R+Rx)C+(In2)RxC=(In2)(R+2Rx)C其中t1為輸出高電平的時(shí)間，t2為輸出低電平的時(shí)間。圖2 測電阻多諧振蕩電路為了使振蕩頻率保持在10100KHz這一段單片機(jī)計(jì)數(shù)的高精度范圍內(nèi)，需選擇合適的C和R的值。取R1=20KW,C=2200pf，得到f=1(ln2)C(R+2RX)， 我們將電路分為兩檔：1100Rx1000：I/O2為高電平輸出，I/O4為低電平輸出，R1=20K,C2=2200pf.此時(shí) Rx=(6.56(1e+6)/(2*fx)-330/2,相應(yīng)的電阻范圍在2.8K-16K21000Rx1M:I/O1高電平輸出，I

8、/O3為低電平輸出，R2=330,C2=0.01uf.此時(shí)Rx=(1.443(1e+8)/(2*fx)-(1e+4)2）測量電容：電容的測量同樣采用"脈沖計(jì)數(shù)法"，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測電容的大小。圖3 測電容多諧振電路555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：測量電容的振蕩電路與測量電f=阻的振蕩電路完全一樣。取R11=R12=91K，則13(ln2)RCX，其分析過程如測量電阻的方法一樣。最后測得電容的范圍為10Pf 10uF可以滿足精度要求。3）測量電感：電感的測量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的，如圖所示。圖4 電

9、容三點(diǎn)式振蕩振蕩公式：f= C=C4C5 C4+C5則電感的感抗為：L=1 4p2f2C在測量電感的時(shí)候，隨著電感值的降低，其頻率越來越高，最小的1.2uH電感頻率達(dá)到4.3MHz左右，而單片機(jī)的最大計(jì)數(shù)頻率大約為500KHz，在頻率方面達(dá)不到測量電感頻率，于是我們把測電感的電容三點(diǎn)式電路得出的頻率經(jīng)過74LS197對該頻率進(jìn)行16分頻滿足單片機(jī)計(jì)數(shù)要求。3.1.2語音播報(bào)電路語音播報(bào)測量結(jié)果，當(dāng)測試結(jié)果顯示相對較穩(wěn)定后開始播報(bào)測試結(jié)果。具體電路如下圖所示：圖5 凌陽語音播報(bào)電路3.1.3液晶顯示電路LCD12864液晶屏有串行和并行兩種工作方式，并行占用的I/O口較多（8個(gè)數(shù)據(jù)端口和3個(gè)控制

10、端口），而串行只需要兩個(gè)I/O口（1個(gè)時(shí)鐘端口，1個(gè)數(shù)據(jù)端口）?？紤]到AT89S52單片機(jī)的I/O口只有32個(gè)，為了節(jié)省I/O口，我們采用串行方式顯示，LCD12864串行工作方式的端口連接圖如圖5所示，SID為串行數(shù)據(jù)端口，SCLK為串行時(shí)鐘端口。圖5 LCD12864串行工作方式端口連接圖3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主流程如下圖所示：圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖4系統(tǒng)測試與分析4.1測試儀器本次測試使用的儀器設(shè)備如表1所示4.2測試方法與結(jié)果 4.2.1 電阻測試4.2.2電容測試4.2.3電感測試4.3測試分析我們通過將電阻、電容、電感分別接至測試系統(tǒng)，經(jīng)過理論值計(jì)算和實(shí)際測量，本次設(shè)計(jì)的RLC測

11、量系統(tǒng)的精度可以達(dá)到賽題要求。在測試電感的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)誤差總是很大，經(jīng)分析電感的感抗計(jì)算公式為：L=1，第一點(diǎn)影響是4p2f2C的值；第二點(diǎn)是LC振蕩電路中由于硬件之間的布線、焊接等等產(chǎn)生了一些雜波信號(hào)，導(dǎo)致計(jì)算誤差。而測試電阻和電容則誤差很小，精度高。5總結(jié)本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S525芯片為核心部件，利用檢測技術(shù)，配合軟件算法成功地實(shí)現(xiàn)了本題的基本要求和發(fā)揮部分中除被測元件量程的自動(dòng)切換外的所有功能。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何對電阻、電容、電感進(jìn)行區(qū)分和自動(dòng)測量，同時(shí)對于不同的電抗元件值的大小進(jìn)行量程的切換。本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，通過A/D采樣實(shí)現(xiàn)對接入的電抗元件進(jìn)行高速精確測量，同時(shí)對實(shí)時(shí)插入的

12、電抗元件，使用語音播報(bào)，實(shí)現(xiàn)了真正智能化的RCL測量系統(tǒng)。本電阻、電容、電感測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足之處在于制作的電容三點(diǎn)式振蕩電路，精準(zhǔn)度不高，導(dǎo)致在發(fā)揮部分中，測量電感以及自動(dòng)切換量程時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)一些誤差，同時(shí)加之外界環(huán)境的干擾，使得電感的測量值無法精確的更好。經(jīng)過這四天三夜的比賽，讓我對之前學(xué)習(xí)的高頻原理和信號(hào)處理知識(shí)，又有了更深一步的理解，同時(shí)也深感“三電”基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)的專業(yè)理論的重要性，這些都是我們在今后的學(xué)習(xí)中需要努力的地方，而在后期的時(shí)間，我們將會(huì)繼續(xù)完善作品， 6參考文獻(xiàn)1房小翠. 單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù), 北京：國防工業(yè)出版社，2004年.2. 許自圖. 電子電路原理分析與仿真，北京：電子工業(yè)出版社，2006年.3趙亮,侯國銳. 單片機(jī)C語言編程與實(shí)例, 北京：人民郵電出版社，2004年.4. 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部