電子應用設計報告

實驗題目簡易數(shù)字式電阻、電容測量儀設計一設計指標1設計方案通過對方案的比較，利用LRC數(shù)字電橋與單片機結合實現(xiàn)電阻、電容測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本文選定以單片機為核心來實現(xiàn)對電阻、電容測量的設計。本系統(tǒng)包括硬件設計和軟件設計兩部分內容。硬件件由6部分組成（1）電源模塊輸入的外部電源首先經過橋式整流、濾波電路濾波，再經過AMS1117芯片穩(wěn)壓成33V的直流電壓，向MSP430F149主控制器供電。（2）信號產生模塊標準正弦波是保證測量儀的重要條件，特別是在測量電抗元件電容時，正弦波的失真將產生難以修正的錯誤，直接影響測量精度，因此在該測量儀中為保證測量精度，采用了ICL8038芯片產生正弦波。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制作成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、易用等優(yōu)點，外部只需接入很少的元件即可工作，可產生多種頻率正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內部或外部電壓控制。（3）整流濾波模塊整流濾波模塊采用LM324的集成運放和LC電路對LRC測試模塊產生的信號進行整流濾波，因為測試模塊產生的信號是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負信號，所以要通過整流濾波給后面的AD采樣。因為整流濾波是高阻輸入，但也不是無窮大，所以在做測試模塊時，分壓電阻最好小于100K。（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。（5）主控制模塊本模塊采用低功耗的MSP430F149微處理器控制AD裝換，并對轉換結果數(shù)據進行接收和處理；通過按鍵控制測量的類型和單位。（6）顯示模塊通過LCD驅動程序對MSP430F149處理后的結果數(shù)據進行穩(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系統(tǒng)硬件總體框圖100HZ/1KHZ/10KHZ正弦信號檔位選擇精密分壓電阻測量對象電阻、電容精密濾波電路穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源33V鍵盤控制模塊LCD顯示模塊高精度AD轉換高精度AD轉換精密濾波電路MPS430F149低功耗單片機穩(wěn)壓電源軟件由4部分組成（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（2）按鍵處理程序，根據按鍵的狀態(tài)做相應的功能設置（3）電阻電容計算程序,單片機根據A/D轉換得到的電壓值計算出電阻或者電容值（4）液晶模塊顯示程序。系統(tǒng)軟件總體框圖2理論分析與計算1電阻測量模塊參數(shù)選取考慮到量程，我們將電阻測量分為5個量程，分別為20,K2,20,KK20,M2。2電容測量模塊參數(shù)選擇LM555構成的多諧振蕩器LM555電路構成的多諧振蕩電路的振蕩周期為CRCRTT2LN2LN1211（231）即/LN21F232我們選擇將電容的測量分為兩個量程，PF0和PF10。在第一量程，MR2,51，第二量程，MR2,51。電阻高精度測量較好的方法之一是采用與標準電阻相比較的方法。其主要原理是在待測電阻RX與標準電阻R1的串聯(lián)電路中加一電流I。這樣RX和R1上將得到電壓VX和，則測量電阻為RX（）1在設計中，我們采用了與測量電阻相同的測量方法電壓相除法來測量電容。由于電容屬電抗元件，因此不能采用直流來產生測量信號，而只能采用交流信號。在角頻率為W的交流信號的作用下，電容獲得的電壓為XCXJWCIU/（2）為待測電容。這樣一來，標準元件的選擇就有許多種方法。但為了提高測量精度和降低成本，該測量儀采用了標準電阻，且與電阻測量公用一套標準電阻。所以有1RIURI（3）經過計算可得CXRIXUWC1/（4）其中的模值。由公式其中RI、CXU和L分別為RIU、CX和L的模值，為保證測量精度，必須保證電阻的精度和W的高穩(wěn)定值。為此，我們在該設計中采用了高精度的ICL8038芯片產生正弦波，同時輸出緩沖器采用了運算放大器。為保證波形精度采用了閉環(huán)深度負反饋方式。此外，本設計中還采用了運算放大器補償實現(xiàn)無失真ACDC的轉換，以確保測量精度。二系統(tǒng)框圖系統(tǒng)設計框圖被測電阻被測電容RC震蕩電路RC震蕩電路量程轉換電路單片機LED顯示器框圖各部分說明如下1控制部分本設計以單片機為核心，采用51單片機，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈本設計中，設置了1盞電源指示燈，采用紅色的LED以共陽極方式來連接，直觀易懂，操作也簡單。數(shù)碼管顯示本設計中有1個74HC02、2個74LS573、1個2803驅動和6個數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構成動態(tài)顯示部分，降低功耗。鍵盤本設計中有SR，SC，SL三個按鍵，可靈活控制不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量。2通道選擇本設計通過單片機控制CD4052模擬開關來控制被測頻率的自動選擇。3測量電路RC震蕩電路是利用555振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電容頻率化。電容三點式振蕩電路是利用電容三點式振蕩電路實現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化。通過51單片機的IO口自動識別量程切換，實現(xiàn)自動測量。三系統(tǒng)設計1電阻、電容、電感測試儀設計方案比較電阻、電容、電感測試儀的設計可用多種方案完成，例如利用模擬電路，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)發(fā)和同步分離法等、使用可編程邏輯控制器PLC、振蕩電路與單片機結合或CPLD與EDA相結合等等來實現(xiàn)。在設計前對各種方案進行了比較（1）利用純模擬電路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。（2）可編程邏輯控制器PLC應用廣泛，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，因而成本過高。（3）采用CPLD或FPGA實現(xiàn)應用目前廣泛應用的VHDL硬件電路描述語言，實現(xiàn)電阻，電容，電感測試儀的設計，利用MAXPLUSII集成開發(fā)環(huán)境進行綜合、仿真，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但相對而言規(guī)模大，結構復雜。（4）利用振蕩電路與單片機結合利用555多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉化為頻率，而電感則是根據電容三點式電路也轉化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉換為數(shù)字量，而頻率F是單片機很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，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)模的應用系統(tǒng)，且應用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設計時間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用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，本次設計選定以單片機為核心來進行。2硬件設計（1）電源電路MSP430F149微處理器需要33V電壓供電，但是外部輸入的電壓通常不是33V的電壓源，所以需要設計電路把外部輸入電壓轉換為穩(wěn)定的33V電壓，系統(tǒng)硬件設計框圖所示，采用的是AMS1117芯片，可以輸出33V電壓，然后經過濾波輸出穩(wěn)定的33V供給MSP430F149。穩(wěn)壓33V產生電路（2）LRC測量電路上圖所示，LRC各元件的測量是通過基本的RR電路，RL電路和RC電路來進行的。當探針的兩端接電阻元件時，此電路就組成的是基本的RR電路；當探針的兩端接電容元件時，此電路就組成的是基本的RC電路。輸入的正弦波可以接頻率為100HZ、1KZ和10KHZ。（3）整流濾波電路此電路采用LM324的集成運放和LC電路對LRC測試模塊產生的信號進行整流濾波。因為測試電路產生的信號是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負信號，所以要通過電路整流濾波給后面的AD采樣，電路圖如圖3軟件設計（1）I/O口的分配P10R測量程序的選擇P11C測量程序的選擇P12L測量程序的選擇P13P14多路選擇開關控制選擇P10、P11和P12按鍵輸入及測量指示燈在本設計的模塊中，模塊是以單片機為核心，再通過按鍵控制測量的被測參數(shù)在數(shù)碼管顯示，按鍵主流程圖下圖所示。按鍵主程序流程圖（2）主程序流程圖在電阻、電容、電感測試儀的設計中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測參數(shù)的選擇，被測參數(shù)各個燈的選擇以及具體設置。通過三個按鍵SR,SC,SL來進行靈活控制，具體操作流程如下圖所示。開始結束初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操作有無RLC測試儀的軟件流程圖首先插入被測元件，開關打開以后，按下SET鍵，進行復位，然后進行按鍵選擇，選擇被測參數(shù)類別，之后單片機根據按鍵類別啟動相應的參數(shù)測試程序，測試完畢后將結果送入數(shù)碼管顯示。四，測量方法開始初始化鍵掃描健分析，置狀態(tài)R測試狀態(tài)C測試狀態(tài)L測試狀態(tài)開中斷定時器設置通道及指示燈的設置采值并計算顯示結束NOYES1測量電阻電路的設計定時器555是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為361122121221得出371LN2121即1LN211/238電路分為2檔（1）100RX1000按下電阻測試建SR，閉合開關SRD,R2330,C2022UF396566/2330/2（2）1000RX1M按下電阻測試建SR，閉合開關SRG,R120K,C3103PF31014438/24電阻測試電路2測量電容電路的設計電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為311T1T1T2LN2R1R2CXLN2R2CX我們設置R1R2,得出31213LN2/1即13LN21313電路分為1檔R4510K,R4R6；3140946/電容測試電路五總結通過對電阻、電容、電感測試儀的課程設計，鍛煉了我的實際動手能力，增強了我們解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。本設計的硬件電路圖簡單,可降