數(shù)字電橋RLC測(cè)量儀畢業(yè)設(shè)計(jì)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊XX大學(xué)數(shù)字電橋設(shè)計(jì)頁共33頁第1章緒論數(shù)字電橋是一種可以方便的通過對(duì)測(cè)試條件的設(shè)置，包括測(cè)量頻率、等效連接的方式的設(shè)置等，幫助用戶測(cè)量所需器件的電阻R、電容C以及電感L的值的電子測(cè)量儀器。它除了可以得到較為精確的參數(shù)L、C、R值以外，還可以方便的計(jì)算出測(cè)損耗角及Q值等多種相關(guān)輔助變量，方便用戶對(duì)相應(yīng)的電子器件進(jìn)行選擇。與此同時(shí)數(shù)字電橋還提供了另外一些方便用戶使用的功能，例如對(duì)電子元件的篩選功能等。通過對(duì)電橋相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，可以對(duì)大量電子元件進(jìn)行快速的測(cè)量分類，節(jié)省時(shí)間，并且可以保證用戶對(duì)電子器件精度上的要在現(xiàn)代電子測(cè)量與電子維修方面有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值。RLC單獨(dú)測(cè)量的方法有很多，對(duì)電阻的測(cè)量最為簡單。電容電感對(duì)時(shí)變信號(hào)敏感，可將電容、電感轉(zhuǎn)換成與電量、時(shí)間和頻率相關(guān)的物理量，通過對(duì)電量、時(shí)間或頻率的測(cè)量獲得電感電容值。目前通過不同的模擬電橋電路可以實(shí)現(xiàn)RLC參數(shù)的較精確測(cè)量，在測(cè)量時(shí)需要預(yù)先甄別RLC類型再選著合適的測(cè)量電橋和測(cè)量頻率，因此測(cè)量時(shí)智能化水平不高。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的成熟，以及AD芯片性能的提升，采用數(shù)字信號(hào)處理的方法逐漸替代了傳統(tǒng)模擬測(cè)量信號(hào)相位、頻率、幅度信息，降低了模擬器件的使用量系統(tǒng)復(fù)雜程度，便于智能化控制?；贛SP430的智能RLC測(cè)量系統(tǒng)，利用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)量化處理，F(xiàn)PGA進(jìn)行高速數(shù)字信號(hào)處理獲得信號(hào)相位、幅值信息。這樣不僅減少了模擬器件的數(shù)量，也減少了信號(hào)傳輸中的衰減和模擬器件溫度變化以及供電變化等引入的附加干擾。此外，采用MSP430單片機(jī)的智能控制技術(shù)，使測(cè)量系統(tǒng)具備自動(dòng)分析、識(shí)別、計(jì)算的能力。用戶只需開機(jī)接入待測(cè)量元件即可獲得待測(cè)元件的RLC值。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1數(shù)字電橋設(shè)計(jì)方案選擇本章主要從LCR數(shù)字電橋的設(shè)計(jì)思想和功能需求入手，依據(jù)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的理論和方法，設(shè)計(jì)并制定了基于MSP430的數(shù)字LCR電橋的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。軟件系統(tǒng)則指由程序?qū)崿F(xiàn)的相應(yīng)功能模塊。系統(tǒng)構(gòu)建的是否合理、穩(wěn)定，將直接影響到系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性和J下確性。因此，系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作是設(shè)計(jì)該LCR數(shù)字電橋系統(tǒng)的一個(gè)重要階段和環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻。下面首先對(duì)現(xiàn)有的電橋種類進(jìn)行分析和說明，通過對(duì)于現(xiàn)有數(shù)字電橋的結(jié)構(gòu)以及測(cè)量原理進(jìn)行比較，確定系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)方案。2.1.1有源電橋電橋線路中除了含有無源元件外，還含有有源器件運(yùn)算放大器的電橋電路就是有源電橋。電橋電路中引入了運(yùn)算放大器以后，不但可以改善電橋的性能，擴(kuò)大電橋的測(cè)量范圍，增加電橋的靈活性和多樣性，而且還可以簡化電橋的屏蔽保護(hù)電路的復(fù)雜度。60年代中期出現(xiàn)了采用有源可調(diào)元件進(jìn)行自動(dòng)平衡的電子測(cè)量儀器。有源可調(diào)元件代替了變壓器電橋中感應(yīng)分壓器的方式，使電路可以自動(dòng)平衡。70年代初出現(xiàn)了能測(cè)量LCR三種參數(shù)的“五端電橋"，使有源真橋的形態(tài)和技術(shù)都有所完善?；谄胶夥▽?duì)相應(yīng)的電子元件參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的線路的主要特點(diǎn)是有平衡點(diǎn)。當(dāng)滿足平衡條件的時(shí)候，它的一條對(duì)角線上的兩個(gè)頂點(diǎn)間的電壓或流過對(duì)角線上的電流為零。但是由于引入了運(yùn)算放大器以后，有源電橋的構(gòu)成及其形態(tài)與無源電橋有了很大的差異：有源橋各個(gè)橋臂之間的關(guān)系往往不是很明確，它們的組成有很大的靈活性；信號(hào)源與指零儀共地，降低了對(duì)屏蔽保護(hù)的要求，可以進(jìn)行五端測(cè)量等。有源電橋的調(diào)節(jié)元件大多采用有源可調(diào)元件，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。典型的五端電橋的電路如圖2-1所示。在這種電橋中，運(yùn)算放大器起了非常重要的作用，不但實(shí)現(xiàn)了五端測(cè)量，還大大的擴(kuò)大了測(cè)量范圍，并且使信號(hào)源與放大器共地，極大地改善了電橋的性能。信號(hào)電壓加到被測(cè)阻抗Zx，和電流檢測(cè)電阻R0組成的串聯(lián)電路上，產(chǎn)生了回路電流。這個(gè)電流在被測(cè)阻抗上產(chǎn)生電壓降。經(jīng)過差分放大器A1當(dāng)大后得到，在經(jīng)過數(shù)控分壓器α和標(biāo)準(zhǔn)電容器Cβ。后獲得被測(cè)支路電流。Σ為虛地點(diǎn)。當(dāng)電橋平衡時(shí)，可以經(jīng)過計(jì)算得到被測(cè)阻抗的值。圖2-1典型五端電橋電路但是有源五端電橋也存在著以下缺點(diǎn)：(1)在橋路中使用了很多昂貴的精密元件，比如精密分壓器、高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)電容等，制造困難，使產(chǎn)品的成本較高。(2)邏輯復(fù)雜，元器件較多，不易調(diào)試，可靠性比較低。(3)前置放大器的時(shí)間延遲降低了測(cè)量的準(zhǔn)確度，為了避免這個(gè)問題就必須增加邏輯電路和降低測(cè)量速度。(4)抗干擾能力差。正是由于這些缺點(diǎn)，五端電橋沒有得到繼續(xù)的發(fā)展，但是它的主要優(yōu)點(diǎn)卻被繼承下來，發(fā)展成了后來的半橋測(cè)量電路。2.1.2半橋電路在有源電橋之后出現(xiàn)了相量電壓比的測(cè)量方式，它的實(shí)質(zhì)是伏安法，但是由于它的測(cè)量電路只是截取了五端電橋的一半，也就是圖1中虛線的左半部分。所以被稱為半橋電路。它沒有平衡點(diǎn)所以不需要平衡，不具備有源電橋的基本特性，但是大多數(shù)采用這種電路的測(cè)量儀器仍然沿用了電橋的稱法，所以文章所設(shè)計(jì)的數(shù)字電橋也沿用了這種習(xí)慣稱為LCR數(shù)字電橋。半橋電路的基本原理是根據(jù)歐姆定律，即Zx=U／I，實(shí)際上屬于伏安法的延伸。數(shù)字式的自動(dòng)測(cè)量儀器基本上是采用半橋電路，這種方法已成為阻抗測(cè)量法的主流方法，含有微處理器的數(shù)字電橋也大多采用半橋測(cè)量電路。典型半橋電路原理如圖2所示。和分別代表被測(cè)阻抗和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓，Zx為被測(cè)阻抗，Rx為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Ix為流經(jīng)被測(cè)阻抗的電流，Is為流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻的電流。信號(hào)電壓U經(jīng)過限流電阻R0加到被測(cè)元件Zx上，它上面的電壓被放大器放大后得到Ux。放大器A3和電阻Rs構(gòu)成電流-電壓變換器。由于A3反相端的虛地特性使得流過被測(cè)元件的電流全部流向Rs，這就使Rs上的電壓與電流成正比。流過Zx的電流為Ix，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的電流為Is。該電路可以自動(dòng)平衡，平衡時(shí)G點(diǎn)的電位是0V，為虛地點(diǎn)。當(dāng)電橋平衡的時(shí)候流過Zx的電流全部流過標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs，也就是說Ix=Is。經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換放大電路，轉(zhuǎn)換成矢量電壓。所以由圖2-2可知，（1）（2）由公式（1）、（2）可知= （3）所以Zx=Rs×（4）圖2-2典型半路電橋原理圖被測(cè)阻抗正比于電壓比，而電壓比是一個(gè)復(fù)數(shù)，是相量比。阻抗的測(cè)量轉(zhuǎn)化為相量電壓比的測(cè)量。測(cè)出相量比就可以獲得被測(cè)阻抗的值，并且電壓比的實(shí)部與被測(cè)阻抗的有功分量電阻成正比，與虛部無功分量電抗成正比，而與被測(cè)電阻成反比。Rs為取樣電阻可以用來變換量程。R0是限流電阻，它比被測(cè)阻抗Zx，大的多，R0與起構(gòu)成衡流電源，保持電流I基本不變。通常R0與Rs的值相等，并且同步切換。這樣當(dāng)變換量程電阻的時(shí)候可以保持大體上不變，從而保持鑒相參考信號(hào)的幅度也大體上不變。在獲得相量電壓和之后進(jìn)行相量除法運(yùn)算，但是用普通的電路來實(shí)現(xiàn)相量除法運(yùn)算很困難。在微處理器沒有引入之前，選取坐標(biāo)系的x軸也就是參考相量與分母相量的方向相同，這就使分母變成了實(shí)數(shù)，這樣相量除法轉(zhuǎn)化成為了標(biāo)量除法就可以采用雙斜電路來完成運(yùn)算。2.1.3固定軸法的基本原理由于電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，70年代初期微處理器的出現(xiàn)給電子測(cè)量儀器帶來了新的發(fā)展方向。到目前為止微處理器電橋大體經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段：第一個(gè)階段是采用固定軸法。固定軸法中由參考相量建立起來的坐標(biāo)系的方向是固定的，而不是任意旋轉(zhuǎn)的。它的實(shí)軸必須與分母相量相重合，也就是與流經(jīng)被測(cè)阻抗的電流相位相同，否則無法實(shí)現(xiàn)相量電壓比的測(cè)量。固定軸法對(duì)于采用一般電路來完成相量電壓比的測(cè)量起過積極的作用，卻限制了微處理器功能的發(fā)揮。在這種電橋中，微處理器只是代替硬件邏輯對(duì)電橋的工作過程進(jìn)行控制，并不參與測(cè)量過程。因此初期的微處理器電橋功能少，可以測(cè)量的參數(shù)也較少，沒有顯示出很大的優(yōu)越性。上面所提到的選取坐標(biāo)系的X軸也就是參考相量與分母相量的方向相同，使分母變成了實(shí)數(shù)，把相量除法轉(zhuǎn)化成為了標(biāo)量除法采用雙斜電路來完成運(yùn)算的方法就是在半橋電路結(jié)構(gòu)早期采用的固定軸測(cè)量法。固定軸法原理如圖2-3所示。圖2-3固定軸法原理固定軸法測(cè)量相量電壓比的第一步是建立起一個(gè)參考直角坐標(biāo)系，將分母相量變成實(shí)數(shù)。這個(gè)任務(wù)由相敏檢波器來完成，分別以電壓比的分母和它相移90度的相量作為相敏檢波器的參考信號(hào)建立起坐標(biāo)系。然后利用雙斜積分電路進(jìn)行除法運(yùn)算。它和計(jì)數(shù)器一起完成了模擬一數(shù)字的變換，可以將測(cè)量結(jié)果顯示出來。標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓Us直接映射到實(shí)軸上，因此公式(4)中/的分母變成了實(shí)數(shù)。所以，Zx=Rs×=Rs×（5）要計(jì)算被測(cè)阻抗的值只需要得到被測(cè)阻抗上的電壓在兩個(gè)坐標(biāo)軸上的投影就可以得到測(cè)量結(jié)果。這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但是限制了微處理器功能的發(fā)揮。在這種電橋中，微處理器只是代替硬件邏輯對(duì)電橋的工作過程進(jìn)行控制，并不參與測(cè)量過程。固定軸法不可避免的存在著同相誤差，就是坐標(biāo)系X軸與分母相量不完全重合所引起的誤差。為了減小這種誤差就必須增加許多電路來進(jìn)行彌補(bǔ)，使電路變得復(fù)雜，可靠性降低，調(diào)試方法困難，儀器精度受到影響。2.1.4自由軸法的基本原理第二階段為采用自由軸法。用微處理器直接進(jìn)行相量除法運(yùn)算的方法就是自由軸法。自由軸法克服了固定軸法的固有缺點(diǎn)，更充分的發(fā)揮了微處理器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，使得電橋有可能實(shí)現(xiàn)更多的功能，取得更高的準(zhǔn)確度以及實(shí)現(xiàn)多頻率下的測(cè)量，并且進(jìn)入了高頻領(lǐng)域。在《用雙斜積分器對(duì)正弦電壓模數(shù)變換》一文中介紹了自由軸法，這種基于半橋結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法所取的坐標(biāo)系的方向不固定，可以任意旋轉(zhuǎn)，這使微處理器直接介入了測(cè)量過程，成為電橋不可分割的有機(jī)組成部分。自由軸法的出現(xiàn)是以采用微處理器為前提的，這種方法坐標(biāo)軸的方向可以是任意的，不必限定在分母相量的方向上，不但避免了固定軸法存在的同相誤差，而且也避免了固定軸法為了減少同相誤差所增加的許多硬件電路，這樣就盡可能的避免了由于這些方面的原因所造成的系統(tǒng)可靠性降低，并且減少了硬件電路的體積。自由軸法測(cè)量原理如圖2-4所示。圖2-4自由軸法原理相量除法的運(yùn)算結(jié)果與選定的坐標(biāo)軸的方向無關(guān)，所以可以建立任意一個(gè)直角坐標(biāo)系，它與被測(cè)相量的關(guān)系是自由的。不是把坐標(biāo)軸固定在某一指定的矢量電壓方向上，而是采用自由坐標(biāo)軸。坐標(biāo)系的取向不固定，可利用微處理控制任意旋轉(zhuǎn)，從而可避免同相誤差。相量除法運(yùn)算與選定的坐標(biāo)軸方向無關(guān)，可任意建立一個(gè)直角坐標(biāo)系。和分別代表被測(cè)參數(shù)兩端的相量電壓和標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的相量電壓，a、b、c、d分別是這兩個(gè)相量在坐標(biāo)軸上的投影值大小。兩個(gè)相量可以表示為=c+jd,=a+jb從而向量比==+j=X+jY(6)式中X=；Y=。但是無論坐標(biāo)軸的方向如何，一旦選定就在整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)保持不變，X軸和Y軸必須嚴(yán)格垂直，參考信號(hào)電壓可以不和任何一個(gè)被測(cè)電壓的方向相同，但應(yīng)和被測(cè)電壓保持固定的相位關(guān)系，比如相差θ，并且在整個(gè)測(cè)量過程中保持不變。其次，X軸和Y軸必須嚴(yán)格垂直，互成90度。這樣依次測(cè)出相量電壓的四個(gè)投影分量，就可以根據(jù)公式(6)計(jì)算出相量比的值。算出相量比值／也就是X和Y的值以后，可根據(jù)用戶設(shè)定按以下公式計(jì)算出所需的被測(cè)參數(shù)。另外除了可以得到參數(shù)L、C、R以外，還可以方便的計(jì)算出相角0、損耗因子D、品質(zhì)因數(shù)Q等多種輔助變量。對(duì)于阻抗Zx，Zx=-Rs=-Rs(X+jY)；對(duì)于電阻R,Rx=RsX=Rs×（7）對(duì)于電容C,Zx=Rx+；Cx=(RsY)-1=(Rs×)-1(8)Dx==(9)對(duì)于電感L，Zx=Rx+；Lx=-Y=×（10）Qx==（11）θ為Ux與參考電壓的夾角，tanθ=，所以θ=arctan。在自由軸法測(cè)量原理中，由于精確的正交坐標(biāo)系主要靠硬件來產(chǎn)生和保證，而參考軸的相角θ需要靠軟件來保證，所以大大簡化了硬件電路，消除了固定軸法難于克服的同相誤差的缺點(diǎn)，提高了精度。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，論文中采用的是自由軸法測(cè)量原理。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和分析2.2.1數(shù)字電橋的原理本系統(tǒng)的基本工作原理是將電阻，電容，電感的變化量最終變成脈沖波頻率的變化量，通過MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器可以很方便的計(jì)算出脈沖波的頻率，確定頻率之后可以通過相應(yīng)的公式計(jì)算出各個(gè)器件的參數(shù)。系統(tǒng)可以分為三部分：即電阻測(cè)量部分、電容測(cè)量部分、電感測(cè)量部分。每個(gè)部分對(duì)應(yīng)一塊模擬電路，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)元件的參數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖波頻率的變化。電阻測(cè)量的核心芯片是ADVFC32，該芯片功能是將電壓的變化轉(zhuǎn)換為隨電壓線性變化的頻率的變化。電感測(cè)量電路的核心是LC震蕩電路，電路由已知電容和被測(cè)電感組成震蕩回路，產(chǎn)生頻率隨被測(cè)電感值變化的正弦波，經(jīng)過運(yùn)放進(jìn)行放大再通過比較器后得到方波脈沖波。電容測(cè)量電路和電感測(cè)量電路原理一樣，只是將已知電容換成已知電感，被測(cè)電容和已知電感構(gòu)成震蕩回路。2.2.2數(shù)字電橋的系統(tǒng)分析簡易電阻、電容電感測(cè)量儀系統(tǒng)主要包括電阻值到方波脈沖頻率的轉(zhuǎn)換，電容值到方波脈沖頻率的轉(zhuǎn)換，電感值到方波脈沖頻率的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的各路方波脈沖經(jīng)過繼電器選擇后送入MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器，計(jì)算出檢測(cè)到方波脈沖的頻率。得到頻率值后，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)元器件參數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算出元器件的參數(shù)并且在128×64寬屏液晶上面顯示出結(jié)果。系統(tǒng)一開機(jī)128×64液晶顯示提示信息，提示用戶選擇需要測(cè)量的元件，選擇后繼電器會(huì)跳動(dòng)，選擇相應(yīng)的測(cè)量檔位，然后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)中。當(dāng)用戶插入需要測(cè)量的元件之后系統(tǒng)會(huì)在1s內(nèi)測(cè)出元器件的所有參數(shù)，并且在液晶屏上顯示出來，完成自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。經(jīng)過分析，該系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于測(cè)量電路的精確性和穩(wěn)定性，測(cè)量精度完全取決于測(cè)量電路的特性，所以我們決定使用標(biāo)準(zhǔn)精密電阻電容作為標(biāo)稱元件，用它們和實(shí)際待測(cè)元件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，從而得到被測(cè)元件的實(shí)際值。2.2.3數(shù)字電橋的系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)的原理框圖如下圖2-5所示，系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，按鍵和128×64液晶實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。MSP430F149單片機(jī)MSP430F149單片機(jī)按鍵電容、電感測(cè)量電路頻率計(jì)數(shù)器量程切換待測(cè)電容或電感128×64液晶電阻測(cè)量電路量程切換待測(cè)電阻圖2-5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第3章硬件設(shè)計(jì)部分3.1MSP430F149單片機(jī)3.1.1MSP430F149單片機(jī)簡介TI公司的MSP430系列是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)超低功耗的單片機(jī)品種，很適合應(yīng)用于采用電池供電的長時(shí)間工作場合。在這個(gè)系列中有很多型號(hào)，它們是由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。MSP430系列的CPU采用16位精簡指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6us。其中MSP430x41x系列微控制器設(shè)計(jì)有一個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)比較器，96段LCD驅(qū)動(dòng)器和48個(gè)通用I/O引腳。典型應(yīng)用：捕獲傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)加以處理后發(fā)送到主機(jī)。其中芯片中的比較器和定時(shí)器是工業(yè)儀表、計(jì)數(shù)裝置和手持式儀表等產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的理想選擇。該系列單片機(jī)的特點(diǎn)如下敘述：（1）低電壓范圍：1.8 V-3.6V（2）超低功耗：活動(dòng)模式電流為225uA，待機(jī)模式電流為0.8uA，掉電模式（RAM 數(shù)據(jù)保持）電流為0.1uA（3）五種省電模式（4）從待機(jī)模式到喚醒模式響應(yīng)時(shí)間不超過6us（5）頻率鎖相環(huán)PLL+（6）16位精簡指令系統(tǒng)，指令周期125ns（7）帶有三個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器（8）集成96段LCD驅(qū)動(dòng)器（9）片內(nèi)比較器（10）串行在線可編程，無需提供外部編程電壓（11）64腳QFP封裝形式3.1.2MSP430F149單片機(jī)主要功能部件CPU:MSP430F149單片機(jī)的CPU和通用微處理器基本相同，只是在設(shè)計(jì)上采用了面向控制的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。MSP430F149的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨而設(shè)計(jì)的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強(qiáng)了MSP430F149的實(shí)時(shí)處理能力。存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)以及外圍模塊的運(yùn)行控制信息。有程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。對(duì)程序存儲(chǔ)器訪問總是以字節(jié)形式取得代碼，而對(duì)數(shù)據(jù)可以用字或者字節(jié)方式訪問。外圍模塊：經(jīng)過MAB、MADB、中斷服務(wù)及請(qǐng)求線與CPU相連。MSP430F149包含：時(shí)鐘模塊、看門狗、定時(shí)器A、定時(shí)器B、比較器A、串口0/1、模數(shù)轉(zhuǎn)換、端口、基本定時(shí)器、DMA控制器。圖3-1所示為MSP430F149單片機(jī)的芯片管腳圖。圖3-1MSP430F149芯片管腳圖3.2MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)簡介MSP430F149單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖主要包括電源電路，I/O接口電路，MAX232串口通信電路，并口調(diào)試電路，單片機(jī)復(fù)位電路，時(shí)鐘電路。3.2.1電源電路電源電路以三端穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3為核心，將輸入的5V電壓穩(wěn)定到3.3V供單片機(jī)及外圍芯片使用。該電路最終產(chǎn)生兩路電壓，一路為模擬電路供電，一路為數(shù)字電路供電。模擬地和數(shù)字地需要用零歐電阻或者電感隔開以防止兩邊電路互相干擾。圖3-2所示電路即為MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)電源電路。圖3-2電源電路3.2.2串口通信電路該電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)TTL電平和電腦RS232之間的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)通用的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：大于2.4V為高電平，小于0.4V為低電平，而電腦上RS232電平標(biāo)準(zhǔn)是：+10V到+15V表示邏輯0，-10V到-15V表示邏輯1。所以要想實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和電腦通信，就必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232或者其他電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)電腦和單片機(jī)之間高低電平的統(tǒng)一。圖3-3即為MSP430F149單片機(jī)的電平轉(zhuǎn)換電路，有了該電路就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和電腦串口的通信，最終實(shí)現(xiàn)利用電腦遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的目的。圖3-3MAX232串口通信電路圖3-3串口通信電路3.2.3復(fù)位電路復(fù)位電路的作用是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的異步復(fù)位，當(dāng)單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí)發(fā)生死機(jī)，或者系統(tǒng)需要重啟時(shí)，可以按下復(fù)位按鍵，單片機(jī)復(fù)位后PC指針將指向程序最開始的地方。單片機(jī)要想實(shí)現(xiàn)復(fù)位，就必須在復(fù)位端口上持續(xù)10ms以上的低電平，所以該復(fù)位電路中使用了一個(gè)0.1uf的電容實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位的目的。上電后，電容充電需要一段時(shí)間，電容充電時(shí)，電容和單片機(jī)復(fù)位管腳相連的地方電壓緩慢上升，只要保持10ms的低電平時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的上電復(fù)位。圖3-4為MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)的復(fù)位電路原理圖：圖3-4異步復(fù)位電路3.2.4時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)同步運(yùn)行的重要電路，時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性決定了單片機(jī)工作的穩(wěn)定度。MSP430F149單片機(jī)外圍配備了兩個(gè)無源晶振，一個(gè)8MHz，一個(gè)32768Hz。單片機(jī)內(nèi)部有PLL鎖相環(huán)電路，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘倍頻。圖3-5所示為時(shí)鐘電路原理圖：圖3-5時(shí)鐘電路3.3LCD12864液晶顯示器128×64液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。圖3-6LCD12864顯示電路3.4鍵盤原理簡介鍵盤是人機(jī)交互的重要組成部分，通過按鍵可以選擇需要測(cè)量的對(duì)象，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等。和按鍵相連的單片機(jī)端口都用一個(gè)10K電阻拉高，可以保證在沒有按鍵按下時(shí)單片機(jī)端口有穩(wěn)定的電平。沒有按鍵按下時(shí)端口保持高電平，當(dāng)按下按鍵時(shí)，端口跳為低電平，可以被單片機(jī)檢測(cè)到。按鍵原理圖如圖3-8所示：圖3-7按鍵原理圖第4章模擬電路設(shè)計(jì)正如之前所說的一樣，數(shù)字電橋的測(cè)量精度是最重要的，然而其的測(cè)量精度完全取決于硬件電路的特性。所以對(duì)硬件電路需要如下要求：（1）電路可靠性要高，應(yīng)不隨溫度或者外界磁場的影響而改變（2）配備的標(biāo)定元件需要有極高的穩(wěn)定性和精度，它們的精度將直接影響待測(cè) 元件的精度（3）LC震蕩回路需遠(yuǎn)離繼電器或者變壓器等強(qiáng)磁場元件，最好加入磁屏蔽盒以 保證震蕩出的波形或者頻率不受到干擾（4）由于本系統(tǒng)中需要一些高精度運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和放大，所以系統(tǒng)供電電 源必須穩(wěn)定可靠，直流紋波需小于8mV（5）單片機(jī)時(shí)鐘電路必須穩(wěn)定，因?yàn)樵谧鼍_測(cè)頻時(shí)會(huì)用到定時(shí)器做精確定時(shí)以上這些要求是保證測(cè)量精確度的前提，下面將詳細(xì)介紹測(cè)量電路的原理及 組成部分。4.1電阻測(cè)量電路4.1.1電阻測(cè)量原理介紹由于電阻范圍較廣，常用電阻的范圍是1Ω-10MΩ，所以采用通常的恒流源的辦法至少需要六個(gè)檔位的切換才能滿足該范圍的要求。如果再使用自動(dòng)換擋功能的話，這無疑會(huì)使硬件電路規(guī)模大增，而且系統(tǒng)的功耗也會(huì)增加。在此，我們使用了一片ADVFC32芯片，利用精密電阻搭成的電阻網(wǎng)絡(luò)將被測(cè)電阻阻值的變化量變成0-10(V)的電壓變化，該電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器OP07跟隨后接入ADVFC32的電壓控制端，ADVFC32會(huì)輸出一個(gè)頻率隨控制電壓線性變化的脈沖波，脈沖波頻率的范圍是0-38（KHz）。最后通過計(jì)數(shù)器和單片機(jī)計(jì)算出具體頻率值，根據(jù)ADVFC32的輸入電壓和輸出頻率之間的線性關(guān)系還有精密電阻分壓比可以求出待測(cè)電阻的阻值。4.1.2電阻的計(jì)算方法及原理圖如下圖4-1所示電路為電阻測(cè)量簡易原理圖由原理圖可以看出，被測(cè)電阻和已知電阻是串聯(lián)關(guān)系，當(dāng)發(fā)生改變時(shí)，兩端電壓就會(huì)發(fā)生變化。把經(jīng)過OP07運(yùn)算放大器跟隨后直接輸入到壓頻變換芯片ADVFC32的電壓控制端，然后ADVFC32頻率輸出端會(huì)產(chǎn)生頻率與輸入電壓呈線性關(guān)系的方波脈沖，可以通過頻率計(jì)數(shù)器和單片機(jī)得到。相關(guān)計(jì)算如下：(1)其中是已知電壓，。(2)其中10是ADVFC32電壓控制端的電壓滿刻度值，38000是滿電壓值對(duì)應(yīng)的輸出頻率滿刻度值。由（1）式和（2）式可知，只要知道，便可以求出被測(cè)電阻的值。圖4-1電阻測(cè)量簡易原理圖4.1.3電阻測(cè)量電路原理圖圖4-2所示電路為電阻測(cè)量電路完整原理圖：圖4-2電阻測(cè)量電路完整原理圖4.2電容、電感測(cè)量電路4.2.1電容、電感測(cè)量原理介紹電容和電感會(huì)構(gòu)成震蕩電路，而震蕩頻率只和電容值和電感值有關(guān)，它們之間的關(guān)系為：。利用這個(gè)公式，只需令L已知，通過測(cè)量F就可以求出C的值，令C已知，通過測(cè)量F就可以求出L的值，所以在這個(gè)電路中我們使用了兩個(gè)精密電感和兩個(gè)精密聚苯乙烯電容。兩個(gè)精密電感分別作為電容測(cè)量電路的高量程和低量程，兩個(gè)精密電容分別作為電感測(cè)量電路的高量程和低量程。由標(biāo)稱元件和對(duì)應(yīng)的待測(cè)元件組成的振蕩回路會(huì)震蕩出頻率穩(wěn)定的正弦波，該正弦波經(jīng)過放大器和比較器之后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波脈沖。接下來通過單片機(jī)和計(jì)數(shù)器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電容、電感元件的測(cè)量任務(wù)。4.2.2電容、電感測(cè)量電路的原理圖下圖4-3所示為電容電感測(cè)量電路的原理圖圖4-3電容、電感測(cè)量電路完整原理圖除到8mV以下才能保證運(yùn)算放大器和其他模擬芯片的正常工作。其次，焊接和布線對(duì)電源質(zhì)量也有很大關(guān)系。焊接導(dǎo)線時(shí)需保持焊點(diǎn)光滑，不能有毛刺，特別是穩(wěn)壓芯片管腳上的焊點(diǎn)，有時(shí)候焊點(diǎn)的毛刺會(huì)帶來很大的紋波干擾。布線時(shí)，盡量避免粗導(dǎo)線交叉，不同電源之間的導(dǎo)線應(yīng)留有一定距離，盡量將線間干擾降到最低。第5章軟件設(shè)計(jì)部分5.1主程序流程圖開始開始單片機(jī)時(shí)鐘初始化單片機(jī)端口初始化液晶初始化顯示開機(jī)界面開啟總中斷定時(shí)器初始化進(jìn)入按鍵掃描5-1主程序流程圖5.2中斷程序流程圖測(cè)試電阻并顯示按鍵掃描判斷按鍵值OK鍵鍵值=1?進(jìn)入選擇檔位界面檔位鍵值變化?電阻檔電容檔電感檔OK鍵鍵值=0?測(cè)試電阻并顯示按鍵掃描判斷按鍵值OK鍵鍵值=1?進(jìn)入選擇檔位界面檔位鍵值變化?電阻檔電容檔電感檔OK鍵鍵值=0?顯示主界面測(cè)試電容并顯示測(cè)試電感并顯示YYNYNN圖5-2中斷程序流程圖5.3按鍵主程序流程圖開始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操？作？開始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操？作？有無圖5-3按鍵主程序流程圖5.4頻率計(jì)算程序流程圖開始開始程序初始化數(shù)據(jù)處理開定時(shí)器TR=1fw是否為1fw是否為1fw是否為0結(jié)束NNNYYY圖5-4頻率計(jì)算流程圖系統(tǒng)測(cè)試6.1數(shù)據(jù)測(cè)試6.1.1測(cè)量工具及方法 測(cè)試工具包括：數(shù)字萬用表，數(shù)字電橋，雙蹤數(shù)字示波器等。測(cè)量時(shí)，先將待測(cè)元件用標(biāo)準(zhǔn)工具HF2817型LCR數(shù)字電橋比如等測(cè)量出來，然后用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，最后計(jì)算出誤差。6.1.2電阻測(cè)試數(shù)據(jù) 表6-1所示數(shù)據(jù)是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋測(cè)量的電阻值與本系統(tǒng)測(cè)量的電阻值對(duì)比。表6-1電阻測(cè)試數(shù)據(jù)待測(cè)電阻值（標(biāo)稱）/Ω本系統(tǒng)測(cè)量值/Ω電橋測(cè)量值/Ω誤差1111.1111.241.15%7272.9272.630.30%100100.37100.180.18%720726.25726.20.19%1000980.31980.50.01%10K9.895K9.941K0.46%120K121.60K121.72K0.09%1000K1009.90K1004.3K0.55%10M9.99M10.15M1.57%6.1.3電容測(cè)試 表6-2所示數(shù)據(jù)是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋測(cè)量的電容值與本系統(tǒng)測(cè)量的電容值的比較表6-2電容測(cè)試數(shù)據(jù)待測(cè)電容值（標(biāo)稱）本系統(tǒng)測(cè)量值電橋測(cè)量值誤差100p104p102p1.93%1000p1028p1015p1.28%3000p3053p3018p1.16%10000p10223p10057p1.65%30000p31003p30323p2.24%100000p104445p101253p3.15%470000p479303p470643p3.14%6.1.4電感測(cè)試 表6-3所示數(shù)據(jù)是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋測(cè)量的電感值與本系統(tǒng)測(cè)量的電感值的對(duì)比表6-3電感測(cè)試數(shù)據(jù)待測(cè)電感值（標(biāo)稱）本系統(tǒng)測(cè)量值電橋測(cè)量值誤差9.0uH9.1uH9.5uH4.20%100uH91.36uH90.87uH0.52%330uH330.4uH332.4uH0.60%3300uH452.4uH439.2uH3.00%10000uH1018.0uH996.7uH2.13%6.2誤差分析系統(tǒng)誤差來源較多，比如環(huán)境溫度和濕度，電源的穩(wěn)定性，還有測(cè)試電路中標(biāo)準(zhǔn)元件的精確度等等。但是，主要誤差是電源質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)元件的精度造成的，為了克服這個(gè)問題，就要采取多種措施來減小誤差。本系統(tǒng)中采用的方法是多次測(cè)量求平均值來減小誤差，然后在軟件中加入修正值。在硬件方面，采取將信號(hào)敏感部分的電路加屏蔽盒的措施，然后電源部分加入π型濾波器濾除紋波干擾，并且得到了穩(wěn)定的直流電壓。經(jīng)過以上措施后，系統(tǒng)的誤差降到了題目要求的范圍之內(nèi)。致謝光陰似箭，將近四年的大學(xué)生活即將結(jié)束。回顧在校園度過的每個(gè)日日夜夜，感受頗多。報(bào)到第一天的情景、四年多時(shí)間里而發(fā)生的點(diǎn)點(diǎn)滴滴仿佛就在眼前飄過，對(duì)于今天即將奔向他鄉(xiāng)走向工作崗位的我來說，才發(fā)現(xiàn)自己原來是那么地不舍。首先我要感謝我的老師們，因?yàn)槭悄銈冑n子我知識(shí)，教會(huì)我做人，引領(lǐng)我成長。在本文的撰寫過程中，xxx老師作為我的指導(dǎo)老師，他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，視野廣闊。正是由于他在百忙之中多次審閱全文，對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行修改，并為本文的撰寫提供了許多中肯而且寶貴的意見，本文才得以成型。借此機(jī)會(huì)我想特別感謝我的指導(dǎo)教師xxx老師，感謝您在百忙之中抽出那么多的寶貴時(shí)間和精力對(duì)我的論文的指導(dǎo)，感謝您對(duì)我提供的寶貴意見，他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。希望老師您能夠注意體息和保重身體，祝愿您能夠每天都開心。最后，我對(duì)曾經(jīng)幫助過我的老師們和同學(xué)們，表示我最真誠的感謝!感謝你們這四年來在生活和學(xué)習(xí)中對(duì)我的幫助。本文的完成對(duì)我來說也是一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)和生活的開始，我將銘記我曾是xx大學(xué)xxxx學(xué)院的一名學(xué)子。參考文獻(xiàn)[1]陳海宴.51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.[2]翁嘉民.單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù).基于Proteus單片機(jī)仿真和C語言編程.中國電力出版社,2010.01：36-45.[3]林占江.電子測(cè)量技術(shù)第2版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：79-103.[4]王曉俊，周杏鵬，王毅.精密阻抗分析儀中數(shù)字相敏檢波技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006.27：316-198.[5]萬相奎，徐杜，張軍.基于嵌入式系統(tǒng)的科學(xué)儀器的構(gòu)建［J］.計(jì)算機(jī)工程，2007.3.3：165-203.[6]王東峰等.單片機(jī)C語言應(yīng)用100例[M].電子工業(yè)出版社，2009：108-141.[7]唐統(tǒng)一.交流電橋[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：54-79.[8]阮永順.交流電橋法原理[M].北京：計(jì)量出版社，1986：113-154.[9]陳德智，蔡文海，齊虹，陳芳.精密測(cè)試技術(shù)研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2004.4.[10]張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)實(shí)用C語言程序設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2005.9：208-312.[11]SylviaKwakye，AntjeBaeumner.Anembeddedsystemofportableelectrochemicaldetection[J].SensorsandActuators,B,Chemical，2007：15-71.[12]WayneWolf.FPGA-basedsystemdesign[J].Beijing:ChinaMachinePress，2005.[13]SteveHeath.Embeddedsystemsdesign.Oxford:Newnes，1997：45-56.[14]BruceM.Pride.PortableMSP430DMM[J].CiruitCellar，2003：134-158.[15]JackDavidson，SangLyulMin.Languages，compilersandtoolsforembeddedsystems［M］.Berlin，NewYork：Springe，2001：77-93.附錄附錄1：系統(tǒng)程序#include<reg52.h>#include"1602.h"#defineDataPortP0#defineADCPortP2#defineucharunsignedcharsbitbutton_r=P1^0;sbitbutton_c=P1^1;sbitbutton_l=P1^2;sbitbutton_q=P1^3;sbitLED_R=P1^4;sbitLED_C=P1^5;sbitLED_L=P1^6;sbitLED_Q=P1^7;sbitRS=P3^0;sbitRW=P3^1;sbitEN=P3^2;sbitSTART=P3^7;unsignedcharfunc;unsignedlongintR,C,L,f,y;uchari=0;ucharaa,bb,cc;//ucharcodeaa[5]="free";ucharcodemeun[2][16]={"is:","00000000"};ucharcodem[10]="0123456789";unsignedcharT0count;unsignedchartimecount;bitflag;voidIntar_T0T1(void){ flag=0; timecount=0; T0count=0; TH0=0; TL0=0; TR0=1;TR1=1; }void delay1(void) { inti; for(i=80;i>0;i--); }voiddelay_ms(uchart){ unsignedchari=0; while(t--)for(i=0;i<120;i++);}voidWriteData(uchardat){ EN=0; RS=0;//********RS寄存器選擇輸入端，當(dāng)RS=0；當(dāng)進(jìn)行寫模塊操作，指向指令寄存器。 RW=0;//********當(dāng)RS=1，無論是讀操作還是寫操作，都是指向數(shù)據(jù)寄存器。 RS=1; RW=0; EN=1; DataPort=dat;EN=0; RS=0; RW=0; for(i=0;i<20;i++);}voidWriteCmd(ucharcmd){ EN=0; RS=0;//********RS寄存器選擇輸入端，當(dāng)RS=0；當(dāng)進(jìn)行寫模塊操作，指向指令寄存器。 RW=0;//********當(dāng)RS=1，無論是讀操作還是寫操作，都是指向數(shù)據(jù)寄存器。 EN=1; DataPort=cmd; RS=0; RW=0; EN=0; for(i=0;i<20;i++);}voidDisChar(ucharps,uchardat){ WriteCmd((0x80+ps)); WriteData(dat);}voidLcdInit(void){ charpp=0; WriteCmd(0x38);delay_ms(5); WriteCmd(0x38);delay_ms(5); WriteCmd(0x38);delay_ms(5); WriteCmd(0x01);delay_ms(5); WriteCmd(0x06);delay_ms(5); WriteCmd(0x38); WriteCmd(0x0c); WriteCmd(0x40); for(pp=0;pp<16;pp++)DisChar(pp,*(meun[0]+pp)); for(pp=0;pp<16;pp++)DisChar(pp+0x40,*(meun[1]+pp)); 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