簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電感和電容測(cè)量?jī)x 精品.doc

簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電感和電容測(cè)量?jī)x1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)方案選擇方案一.基于模擬電路的測(cè)量?jī)x利用模擬電路，電阻可用比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時(shí)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(fù)雜，所用器件較多，靈活性差，測(cè)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(duì)硬件進(jìn)行控制，應(yīng)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(shè)計(jì)中可采用PLC對(duì)硬件進(jìn)行控制，但是用PLC實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對(duì)昂貴，成本過(guò)高。 方案三.利用LRC振蕩電路與單片機(jī)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(hào)，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(jī)處理數(shù)字量，能夠滿(mǎn)足測(cè)量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量等設(shè)計(jì)需要，而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性、系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活，容易構(gòu)成各種規(guī)模的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)上述方案的比較，利用LRC振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測(cè)試儀更為簡(jiǎn)便可行，節(jié)約成本。所以，本系統(tǒng)選定已MSP430F149單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容和電感測(cè)量的設(shè)計(jì)。1.2系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì)1.2.1硬件部分硬件設(shè)計(jì)主要分為四部分：(1)用RC和RL電路實(shí)現(xiàn)LRC振蕩電路的功能，測(cè)量電阻、電容、電感模塊。(2)利用MSP430F149單片機(jī)自帶的AD實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的功能。(3) MSP430F149單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)并做相應(yīng)的處理，根據(jù)按鍵狀態(tài)控制測(cè)量的類(lèi)型和單位。(4)測(cè)量結(jié)果顯示部分，采用的是12864液晶顯示器。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體框圖如下：12864液晶顯示模塊鍵盤(pán)控制模塊MSP430F149單片機(jī)電阻、電感、電容測(cè)量模塊圖1-1 系統(tǒng)硬件框圖 1.2.2軟件部分軟件設(shè)計(jì)主要分為四部分：(1) 控制測(cè)量程序,單片機(jī)控制測(cè)量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)別與轉(zhuǎn)換,而且還負(fù)責(zé)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(yīng)的功能設(shè)置; (3) 電阻電感電容計(jì)算程序,單片機(jī)根據(jù)A/ D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)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(shè)計(jì)2.1硬件模塊設(shè)計(jì)2.1.1電感電容測(cè)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(cè)量 測(cè)量的原理是由單片機(jī)通過(guò)對(duì)LM311輸出端進(jìn)行頻率的采樣，然后依據(jù)采集到的頻率再計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電容或電感值。為了提高測(cè)量的精度，采用了以一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)電容L2為基準(zhǔn)。由一個(gè)1000PF的聚苯乙烯電容和一個(gè)20PF的瓷介質(zhì)電容并聯(lián)而成，精度低，當(dāng)C2未接入電路時(shí)，由L1、C1組成的振蕩器的頻率然后將C2與C1并聯(lián)，這時(shí),由L1和C1+C2組成的振蕩器的頻率通過(guò)計(jì)算得： （2-1）和 （2-2）可以看出L1和C1是基于已知的標(biāo)準(zhǔn)電容C2和兩次測(cè)量的頻率F1和F2計(jì)算出來(lái)的因此及準(zhǔn)確性主要取決于標(biāo)準(zhǔn)電容的精度。測(cè)算出F1、L1和C1之后，再用待測(cè)的電容Cx代替出C2接入回路中，測(cè)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(cè)出Lx。2.1.2電阻測(cè)量模塊電路圖2-2是一個(gè)由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路。圖2-2電阻測(cè)量它的振蕩周期T=(2)（R4+2Rx）C8 ，故可以導(dǎo)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(jī)計(jì)數(shù)的高精度范圍內(nèi)，需選擇合適的C8值和R4值。同時(shí)不使電阻功耗過(guò)大，在第一個(gè)量程選擇R4=200歐姆，C8=0.22uf；第二個(gè)量程R4=20k歐姆，C8=1000pf。這樣，第一個(gè)量程中，Rx=100歐姆時(shí)（下限），有一個(gè)相應(yīng)的頻率輸出。第二個(gè)量程中，Rx=1M時(shí)（上限）時(shí)，有一個(gè)相應(yīng)的頻率輸出。 因?yàn)镽C振蕩的穩(wěn)定度可達(dá)10，單片機(jī)測(cè)量頻率最多誤差一個(gè)脈沖，所以由單片機(jī)測(cè)頻率值引起的誤差在百分之一以下。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換原理，單片機(jī)在第一頻率的記錄中發(fā)現(xiàn)頻率過(guò)小，即通過(guò)繼電器轉(zhuǎn)換量程。再測(cè)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(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理；通過(guò)按鍵控制測(cè)量的類(lèi)型和單位。2.1.4 AD采樣模塊本模塊利用MSP430F149單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換功能把整流濾波后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并傳送給處理器。2.1.5 液晶顯示模塊通過(guò)LCD驅(qū)動(dòng)程序?qū)SP430F149處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定顯示，在測(cè)試期間顯示能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)離開(kāi)測(cè)試能夠迅速歸零。2.2軟件模塊設(shè)計(jì)2.2.1 控制測(cè)量程序模塊單片機(jī)控制測(cè)量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)別與轉(zhuǎn)換,而且還負(fù)責(zé)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(gè)測(cè)量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測(cè)量程序?qū)φ麄€(gè)測(cè)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要?？刂茰y(cè)量流程圖如圖3-1所示。圖3-1 控制測(cè)量程序流程圖2.2.2按鍵處理程序模塊開(kāi)始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無(wú)按鍵操？作？有無(wú)按鍵處理程序的主要功能是設(shè)置測(cè)量的類(lèi)型和測(cè)量的檔位，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)就執(zhí)行相應(yīng)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(jì)算程序單片機(jī)根據(jù)A/ D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)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(jì)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(gè)功能，就是對(duì)測(cè)量結(jié)果清晰正確的顯示出來(lái)，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(cè)試3.1測(cè)試原理在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以MSP430F149單片機(jī)為核心的電阻、電容、電感測(cè)試儀，將電阻，電容，電感，使用對(duì)應(yīng)的振蕩電路轉(zhuǎn)化為電壓實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量。將頻率模擬電壓信號(hào)送入AD采樣，通過(guò)AD把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)字信號(hào)送入MSP430F149單片機(jī)處理。以IAR Embedded Workbench為仿真平臺(tái)，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；包括主控制模塊、顯示模塊、電阻測(cè)試模塊、電容測(cè)試模塊和電感測(cè)試模塊。3.2測(cè)試方法在測(cè)試時(shí)將被測(cè)參數(shù)通過(guò)本系統(tǒng)測(cè)量出來(lái)的示值與參數(shù)的標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行對(duì)比，得到本系統(tǒng)的測(cè)量精度。測(cè)試儀器為示波器和萬(wàn)用表。3.3測(cè)試結(jié)果通過(guò)按鍵操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量類(lèi)型和量程的選擇，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步進(jìn)行校正和對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的可靠性的確認(rèn)。測(cè)試結(jié)果如下：1電阻測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。表1電阻測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)稱(chēng)值()系統(tǒng)測(cè)量（）相對(duì)誤差(%)6.7k6.9k2.9%8.8k8.9k1.13%19.8k20.4k3.3%117k117140k0.12%500k489.205k2.2%2電容測(cè)試數(shù)據(jù)如表 2所示。表 2電容測(cè)試數(shù)據(jù)讀取示值（pF）標(biāo)稱(chēng)值（pF）相對(duì)誤差值（%）1160100016%6000510017%10800100008%3電感測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示表 3電感測(cè)試數(shù)據(jù)讀取示值（mH）標(biāo)稱(chēng)值（mH）相對(duì)誤差值（%）3.4測(cè)試分析在實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)試環(huán)境，測(cè)試儀器，測(cè)試方法等都對(duì)測(cè)試值有一定的影響，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果或多或少地偏離被測(cè)量的真值。為了減小本設(shè)計(jì)中誤差的大小，主要利用修正的方法來(lái)減小本測(cè)試儀的測(cè)量誤差。所謂修正的方法就是在測(cè)量前或測(cè)量過(guò)程中，求取某類(lèi)系統(tǒng)誤差的修正值。在測(cè)量的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中選取合適的修正值很關(guān)鍵，修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關(guān)資料中查??；第二種途徑是通過(guò)理論推導(dǎo)求取；第三種途徑是通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取。本測(cè)試修正值選取主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取，對(duì)影響測(cè)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(guò)對(duì)相同被測(cè)參數(shù)的多次測(cè)量結(jié)果和不同被測(cè)參數(shù)的多次測(cè)量選取平均值，最后確定被測(cè)參數(shù)公式的常數(shù)K值，從而達(dá)到減小本設(shè)計(jì)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(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率有一定的誤差，所以只能通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，選取合適的修正值來(lái)盡可能的減少本測(cè)試系統(tǒng)的誤差。4系統(tǒng)總結(jié)本系統(tǒng)采用單片機(jī)和LRC數(shù)字電橋結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x，到達(dá)了系統(tǒng)基本要求。本儀器利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電感電容測(cè)量的智能化設(shè)計(jì),而且系統(tǒng)性能穩(wěn)定,測(cè)量精度較高,相對(duì)誤差小,操作簡(jiǎn)單,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。當(dāng)然本系統(tǒng)還存在著許多需要改進(jìn)的地方，比如還可以繼續(xù)提高測(cè)量的精度和加大測(cè)量的范圍。因?yàn)槭遣?