基于ATmega128L單片機的數(shù)字式RLC測量儀畢業(yè)論文

1、玉林師范學院本科生畢業(yè)設(shè)計基于ATmega128L單片機的數(shù)字式RLC測量儀The Digital RLC Measuring Instrument Based on ATmega128L Microcontroller 院 系電子與通信工程學院專 業(yè)電子信息科學與技術(shù)班 級2009級2班姓 名學 號200905402223指導教師單位電子與通信工程學院指導教師姓名指導教師職稱講 師 基于ATmega128L單片機的數(shù)字式RLC測量儀電子信息科學與技術(shù)2009級2班 鄭勇指導老師 鄭金存摘要 隨著智能化和數(shù)字式測量儀表的發(fā)展，智能化測量儀表得到了越來越廣泛的應用，設(shè)計數(shù)字化的儀器已成為市場需求

2、。本設(shè)計是根據(jù)單片機測出RLC電路的輸出頻率，然后對電阻、電感、電容三大基本電子元件進行測量，而且利用繼電器進行自動換擋測量。其基本原理是以ATMEL公司的8位高速低功耗單片機ATmega128L為控制核心，通過相應的電子電路將電阻值、電感值、電容值均轉(zhuǎn)換成頻率值，利用單片機的內(nèi)部計數(shù)器進行測頻，然后通過程序運算計算出待測元件的數(shù)值送往12864液晶屏上顯示。本設(shè)計系統(tǒng)電路包括電源電路，單片機系統(tǒng)電路，RLC測量電路，自動測量電路，液晶顯示電路。本設(shè)計測量的電阻范圍為10-10M，精度為2；測出的電容范圍為100pF-100uF,精度為3；測出的電感范圍為10uH-10mH，精度為5。本設(shè)計作

3、品有操作方便，準確度高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞: 單片機，RLC測量，自動換擋The Digital RLC Measuring Instrument Based on ATmega128L Microcontroller Electronic Information Science and Technology 2009-2 ZhengYongSupervisor ZhengJin-cunAbstract With the development of intelligent and digital measuring instruments, intelligent measuring instru

4、ments has been widely applied. Therefore, the design of digital instruments has become a market demand. This design can measure the resistor, inductor, capacitor which are the three basic electronic components based on the output frequency of RLC circuit measured by the single chip microcomputer. An

5、d this is completed through the automatic transmission measurement by relays. The basic principle is: with ATmega128 being the controlling core , which is the 8 bits high-speed and low-power microcontroller of ATMEL company, convert the resistance, inductance, capacitance values into the relative fr

6、equency values through the corresponding electronic circuit, and use MCU internal counter for frequency measurement. Then display the numerical value of the components to be tested on the 12864 LCD screen through the procedural arithmetic. This system circuit design includes power circuit, microcont

7、roller system circuit, RCL measurement circuit, automatic measurement circuit and LCD display circuit. The scope of resistance measurement of this design is between 10 -10 M with the accuracy of 2%. The capacitance range measured is between 100pf-100uf with the accuracy of 3%. The inductance measure

8、d is in the range of 10uH-10mH with the accuracy of 5%. Measure inductance in the range of 10uH-10mH, accuracy of 5%. This design has many advantages such as convenient operation and high accuracy. Key words：microcontroller, RLC measuring, automatic shift目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc5203 1引言 P

9、AGEREF _Toc5203 1 HYPERLINK l _Toc17299 2任務介紹與方案論證 PAGEREF _Toc17299 1 HYPERLINK l _Toc15976 2.1任務介紹 PAGEREF _Toc15976 1 HYPERLINK l _Toc28507 PAGEREF _Toc28507 1 HYPERLINK l _Toc1695 2.2.1電阻測量方案選擇 PAGEREF _Toc1695 1 HYPERLINK l _Toc22315 2.2.2 電容測量方案選擇 PAGEREF _Toc22315 2 HYPERLINK l _Toc9327 2.2.3

10、電感測量方案選擇 PAGEREF _Toc9327 3 HYPERLINK l _Toc14872 2.2.4單片機方案選擇 PAGEREF _Toc14872 3 HYPERLINK l _Toc4653 2.2.5顯示模塊方案選擇 PAGEREF _Toc4653 3 HYPERLINK l _Toc19057 量程切換模塊方案的選擇 PAGEREF _Toc19057 4 HYPERLINK l _Toc32014 3主要器件介紹 PAGEREF _Toc32014 4 HYPERLINK l _Toc15405 3.1 ATmega128L單片機的介紹 PAGEREF _Toc1540

11、5 4 HYPERLINK l _Toc27605 PAGEREF _Toc27605 5 HYPERLINK l _Toc12099 ADVFC32壓頻簡介 PAGEREF _Toc12099 6 HYPERLINK l _Toc2476 3.4 OP07芯片的簡介 PAGEREF _Toc2476 7 HYPERLINK l _Toc21282 3.5 555電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 PAGEREF _Toc21282 7 HYPERLINK l _Toc32510 3.6 OPA820芯片介紹 PAGEREF _Toc32510 8 HYPERLINK l _Toc29909 3.7 T

12、LV3502芯片介紹 PAGEREF _Toc29909 8 HYPERLINK l _Toc24957 4硬件電路介紹 PAGEREF _Toc24957 9 HYPERLINK l _Toc16816 測量儀的系統(tǒng)框架 PAGEREF _Toc16816 9 HYPERLINK l _Toc15493 4.2 ATmega128L單片機電路圖的設(shè)計 PAGEREF _Toc15493 9 HYPERLINK l _Toc18319 PAGEREF _Toc18319 10 HYPERLINK l _Toc21212 PAGEREF _Toc21212 10 HYPERLINK l _Toc

13、791 PAGEREF _Toc791 12 HYPERLINK l _Toc310 PAGEREF _Toc310 12 HYPERLINK l _Toc2773 PAGEREF _Toc2773 13 HYPERLINK l _Toc4277 PAGEREF _Toc4277 14 HYPERLINK l _Toc19151 PAGEREF _Toc19151 15 HYPERLINK l _Toc23934 5系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc23934 16 HYPERLINK l _Toc13800 PAGEREF _Toc13800 16 HYPERLINK l _Toc166

14、32 PAGEREF _Toc16632 17 HYPERLINK l _Toc20940 6系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc20940 18 HYPERLINK l _Toc31863 6.1硬件調(diào)試 PAGEREF _Toc31863 18 HYPERLINK l _Toc19314 6.2軟件調(diào)試 PAGEREF _Toc19314 18 HYPERLINK l _Toc32319 6.3 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc32319 18 HYPERLINK l _Toc8335 6.3.1測試儀器 PAGEREF _Toc8335 18 HYPERLINK l _Toc3165

15、7 6.3.2電阻測試數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc31657 19 HYPERLINK l _Toc3496 6.3.3電容測試數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc3496 19 HYPERLINK l _Toc29045 6.3.4電感測試數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc29045 20 HYPERLINK l _Toc11684 誤差分析 PAGEREF _Toc11684 20 HYPERLINK l _Toc25474 7結(jié)束語 PAGEREF _Toc25474 20 HYPERLINK l _Toc24340 致謝 PAGEREF _Toc24340 21 HYPERLINK l _To

16、c16269 參考文獻 PAGEREF _Toc16269 22 HYPERLINK l _Toc25733 附錄 PAGEREF _Toc25733 23 HYPERLINK l _Toc8870 附錄A：作品實物圖 PAGEREF _Toc8870 23 HYPERLINK l _Toc8344 附錄B：主程序 PAGEREF _Toc8344 241引言目前，單片機技術(shù)1在智能化測量儀表2中得到了越來越廣泛的應用，利用單片機可以實現(xiàn)測量儀表的自動化和智能化，并能進行數(shù)據(jù)分析和處理以達到儀表的高精度和高可靠性。RLC測量儀是一種自動測量電阻R、電感L、電容C等參數(shù)的測量儀器。高精度測量RL

17、C參數(shù)技術(shù)可廣泛用于電阻、電容、電感元件的篩選，還可以用于電路板分立元件的參數(shù)測量與分析。本文設(shè)計的RLC測量儀是將電子元件的參數(shù)通過測量電路轉(zhuǎn)換成頻率的值，再通過單片機計算處理輸出顯示在液晶上，利用繼電器實現(xiàn)測量儀的自動切換測量，經(jīng)過軟件設(shè)計實現(xiàn)測量儀的測量功能。與傳統(tǒng)的測量儀器相比，該RLC測量儀有操作方便、測量精度高、測量范圍廣、測量智能化等優(yōu)點，具有很大的實用性和推廣意義。2任務介紹與方案論證 任務要求有：1、本系統(tǒng)要求實現(xiàn)RLC智能化測量，通過單片機控制繼電器實現(xiàn)自動選擇測量、自動切換測量量程。2、要求友好的人機交流界面，運用12864液晶顯示和44矩陣鍵盤使顯示界面友好操控，簡潔方

18、便。 3、電阻測量的要求范圍為1001M精度為5；電容測量要求范圍為100pF10uF 精度為5；電感測量要求范圍為100H10mH精度為5。電阻測量方案選擇方案一：利用RC充電原理測電阻。其利用RC充電的原理測量電阻，首先我們選定參考電容，由RC充電公式3： =RC (2.1)可知，只要知道RC電路充電的時間就可以測量被測電阻。此方案在測量阻值比較小的電阻時其阻容時間常數(shù)也比較小，微小的時間使得單片機難以處理，計算也比較繁瑣。當阻值較大時電阻阻值的時間常數(shù)的線性度很差，其計算的結(jié)果誤差也很大，所以使得電阻測量的范圍很小。方案二:電阻分壓法。該方案易于實現(xiàn)且原理比較簡單，從理論上說只要給定精確

19、的參考電阻，就能夠以基準電阻測量任何大小的電阻阻值。在測量中被測電阻分壓的電壓值通過伏頻轉(zhuǎn)換芯片ADVFC32把電壓轉(zhuǎn)換頻率送往單片機計數(shù)。這樣使得測量過程比較方便，其結(jié)果比較精確，測量的范圍也比較廣。 圖2.1 電阻分壓測量電阻電路Figure 2.1 The resistor voltage divider resistance measurement circuit 如圖2.1,用穩(wěn)定的電源Vcc把基準電阻R0與被測電阻RX串聯(lián)在電路中。由于串聯(lián)電路電阻有分壓的作用，根據(jù)電路電阻分壓的公式3： (2.2)與已知的參考電阻就可以測量出阻值。 方案三：伏安法4。它的測量原理來源于阻抗的定義，

20、即若已知流經(jīng)被測阻抗的電流相量并測得被測阻抗兩端的電壓，通過比率便可得到被測阻抗的相量。顯然，要實現(xiàn)這種方法，儀器必須能進行相量測量及除法運算。 綜合考慮以上方案，本設(shè)計采用方案二，用電阻分壓法測量電阻。 電容測量方案選擇方案一：利用“脈沖計數(shù)法”原理，通過采用RC與NE555定時器組成的多諧振蕩電路，固定準確的參考電阻，然后通過測量振蕩輸出的頻率就可以測出電容的電容值大小。此方案硬件電路結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，而且測量的電容容值范圍也比較廣，同時該多諧振蕩電路輸出是頻率的值。單片機可以對其輸出頻率直接進行計數(shù)。方案二：電橋法5：具有較高的測量精度，被廣泛采用，現(xiàn)已派生出許多類型。但電橋法測量需要反

21、復進行平衡調(diào)節(jié)，測量時間長，很難實現(xiàn)快速的自動測量。綜合考慮以上方案，本設(shè)計采用方案一，用NE555構(gòu)建RC多諧振蕩電路測量電容。電感測量方案選擇方案一:利用電橋平衡法測量電感6。用待測電感和已知標準電阻、電容組成電橋。單片機調(diào)節(jié)電阻參數(shù)使電橋平衡，此時，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可求得，然后由電橋的計算公式求出被測電感。該方案測量的電感比較準確，但該方案電路復雜，實現(xiàn)起來比較困難。方案二:采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)7。三點式電路是指LC回路中與發(fā)射極相連的，兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點式電路，稱為電容三點式

22、電路。該電路測量簡單、方便，準確度高。 綜合考慮以上方案，本設(shè)計采用方案二，LC和三極管構(gòu)成三點式振蕩電路測電感。單片機方案選擇方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)控制器。FPGA功能強大，可實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，可以減少體積，提高穩(wěn)定性，并且可用EDA軟件仿真8、調(diào)試，易于進行功能擴展，但成本高。由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)的處理速度本不高，F(xiàn)PGA的高速處理優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，且硬件電路復雜。方案二：采用AT89S52單片機9作為控制器。該單片機算術(shù)運算功能較強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯功能。本身帶有定時/計數(shù)器，可以用來定時、計數(shù)

23、，并且具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點。但是測量頻率只有500k，達不到系統(tǒng)對頻率測量的要求。方案三：采用ATmega128L單片機作為系統(tǒng)的主控單片機10。ATmega128L單片機速度快，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定。它能夠測量頻率在2M以內(nèi)的方波脈沖，滿足了本系統(tǒng)對頻率測量的要求，同時該單片機算術(shù)運算功能強大，編程采用的是精簡指令集，低功耗，而且I/O口的電流也能夠直接驅(qū)動繼電器。綜合考慮以上方案，本設(shè)計采用方案三，用ATmega128L單片機做控制器。顯示模塊方案選擇方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有壽命長，耐老化，對外界環(huán)境要求低等優(yōu)點。但LED八度數(shù)碼管引腳排列不規(guī)則，動態(tài)顯示時要加

24、驅(qū)動電路，硬件電路復雜。方案二：采用帶有字庫的12864液晶顯示屏。12864液晶顯示屏（LCD）具有功耗低、輕薄短小無輻射危險，平面顯示及影像穩(wěn)定，不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強等優(yōu)點。同時，12864帶有字庫，編程容易，且具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式，增加可讀性，降低功耗。綜合考慮以上方案，本設(shè)計采用方案二，用12864液晶顯示。量程切換模塊方案的選擇方案一：采用撥碼開關(guān)進行量程切換。撥碼開關(guān)體積小，使用簡單，但是必須采用手動才能進行量程切換，不能自動切換量程，測量時顯得比較麻煩。方案二：采用HRS1H-S-DC5V繼電器作為量程切換模塊。該繼電器體積較小，使用

25、簡單，ATmega128L單片機能夠直接驅(qū)動，不需要再加三極管進行電流放大，實現(xiàn)了自動切換量程。綜合考慮以上方案，為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動測量，設(shè)計選擇方案二，采用繼電器作為量程切換模塊。3主要器件介紹3.1 ATmega128L單片機的介紹ATmega128L單片機引腳如圖3.1所示：圖3.1 ATmega128L引腳圖Figure3.1 The ATmega128L Pin Figure ATmega128L118位微控制器是ATMEL推出的AVR單片機中的高檔產(chǎn)品，具有高速低功耗、超強功能、精簡指令的特點，能夠同時讀、寫。在執(zhí)行指令的同時，通過SPI、UART或兩線接口對快閃存儲器進行編程或重新

26、編程。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega128L具有如下特點：128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash( 具有在寫的過程中還可以讀的能力，即RWW)、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器計數(shù)器(T/C)、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC( 具有

27、可選的可編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口( 此接口同時還可以用于片上調(diào)試)，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。空閑模式時CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時CPU和所有的I/O模塊停止運行，而異步定時器和ADC繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式時振蕩器工作而其他

28、部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。12864液晶顯示模塊是12864點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，該系統(tǒng)所用的12864液晶使用ST7920控制器，5V電壓驅(qū)動，帶背光，內(nèi)置8192個1616點陣，128個字符及64256點陣顯示RAM。帶中文字庫的LCD12864每屏可顯示4行8列共32個1616點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個168點陣ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示,與外部CPU接口采用并行的控制方式。利用12864顯示模塊靈活

29、的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。表3.1為該模塊管腳使用的說明：表3.1 12864LCD管腳功能Table 3.1 12864 LCD tube foot function名稱型態(tài)電平功能描述VccI-模塊電源輸入GNDI-模塊電源輸入V0I-電源地VeeI-對比度調(diào)節(jié)PSBIH/L液晶驅(qū)動電壓輸入RSTIH/L并口/串口選擇:H 并口；L 串口 RSIH/L寄存器選擇：H 數(shù)據(jù)；L 指令R/WIH/L讀寫選擇：H 讀；L 寫ENIH/L使能信號DB0-DB3I/OH/L數(shù)據(jù)總線低四位DB4-DB7I/OH/L數(shù)據(jù)總線高四位LEDAI背光正LEDKI背光負3.

30、3 ADVFC32壓頻簡介圖3.2(a)所示為ADVFC32芯片的管腳圖，ADVFC32是一種電壓/頻率轉(zhuǎn)換器和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器的綜合器件。具有良好的線性度，滿度時的頻率范圍為0500KHz。輸入正電壓或者負電壓就可以轉(zhuǎn)換輸出相應比例的頻率，這個過程只需要很少的外圍電路就可以完成。用相同的外圍電路亦可以完成頻率到電壓的轉(zhuǎn)換，加入一個簡單的偏置網(wǎng)絡就可以調(diào)節(jié)輸入邏輯電平的范圍。ADVFC32工作于電壓/頻率轉(zhuǎn)換器模式時。該芯片的基本外圍電路連接方法如圖3.2(b)： （a） （b） 圖3.2 ADVFC32管腳圖和外圍電路Figure 3.2 feet ADVFC32 tube map and

31、peripheral circuit3.4 OP07芯片的簡介OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開環(huán)增益高（OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。管腳圖如圖3.3所示： 圖3.3 OP07管腳圖Figure 3.3 feet 0P07 tube map3.5 555電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理NE555集成電路開

32、始是作定時器應用的，所以叫做555定時器。但后來經(jīng)過開發(fā)，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。電路組成及其引腳如圖3.4： 圖3.4 電路組成及其引腳Figure 3.4 The circuit components and pin3.6 OPA820芯片介紹OPA820為常見的運算

33、放大器，單位增益穩(wěn)定，OPA820的輸入失調(diào)電壓，噪聲，等指標都很小，適合放大小信號。運算放大器一般可簡單地視為：具有一個信號輸出端口（out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。OPA820的管腳圖如3.5所示： 圖3.5 OPA820芯片管腳 Figure 3.5 The OPA820 chip pins 3.7 TLV3502芯片介紹TLV3502為雙通道高速比較器，功能快速，在4.5 ns可以完成傳播延遲和操作過程。本設(shè)計的作品的電源電壓分別為V+=+5v，V-=-5v。該比較器輸入（幾乎沒有噪音豁免的范圍內(nèi)）指定的偏移電

34、壓(5 mv)。對于緩慢移動或嘈雜的輸入信號，多個開關(guān)作為輸入信號，通過比較開關(guān)閾值，比較器輸出高或低電平。在這樣的應用程序，6 mv的內(nèi)部磁滯的TLV3502可能是不充分的。在某些情況下更大的噪音免疫力，是理想的。管腳圖如3.6所示： 圖3.6 TLV3502芯片管腳Figure 3.6 The TLV3502 chip pins 4硬件電路介紹測量儀的系統(tǒng)框架本設(shè)計的原理框架如下圖4.1所示，系統(tǒng)以ATmega128L單片機為控制核心，用RLC測量電路、繼電器自動換擋電路和12864液晶顯示電路實現(xiàn)了對電阻、電感、電容的測量。圖4.1 系統(tǒng)原理框圖Figure 4.1 The system

35、 principle diagram4.2 ATmega128L單片機電路圖的設(shè)計圖4.2中，主要包括ATmega128L單片機、JTAG下載電路、ISP下載電路、復位電路、時鐘電路、液晶顯示電路，獨立按鍵電路，流水燈電路等。使用ICCAVR軟件對ATmega128L單片機進行編程操作，實現(xiàn)頻率測量、量程切換、控制12864液晶屏等功能。 圖4.2 ATmega128L單片機電路圖 The circuit diagram of ATmega128L MCU電阻測量電路設(shè)計由于電阻范圍較廣，常用電阻的范圍是110M，所以采用電阻分壓法測量電阻的時候需要分為多個測量量程。每個測量量程都用一個合適的

36、精密電阻作為參考電阻。為提高測量精度，電阻測量電路中使用了ADVFC32伏頻轉(zhuǎn)換芯片，利用精密電阻搭成的電阻網(wǎng)絡將被測電阻阻值的變化量分為09(V)的電壓變化，該電壓經(jīng)過運算放大器OP07跟隨后接入ADVFC32的電壓控制端，ADVFC32會輸出一個頻率隨輸入電壓線性變化的脈沖波，脈沖波頻率的范圍是038（KHz）。最后通過單片機的計數(shù)器計算出具體頻率值，根據(jù)ADVFC32的輸入電壓和輸出頻率之間的線性關(guān)系,還有精密電阻的分壓比就可以求出待測電阻的阻值。圖4.3 電阻測量原理圖Figure 4.3 The resistance measurement principle diagram圖4.3

37、所示電路為電阻測量原理圖，由原理圖可以看出，被測電阻RRX和已知電阻RRB是串聯(lián)關(guān)系，當RRX發(fā)生改變時，RRX兩端電壓就會發(fā)生變化。然而實際電路中我們要把經(jīng)過OP07運算放大器跟隨后再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，可以通過頻率計數(shù)器和單片機得到。相關(guān)計算如下12： (4.1)其中是已知電壓，。 (4.2) 其中10是ADVFC32電壓控制端的電壓滿刻度值，38000是滿電壓值對應的輸出頻率滿刻度值。由（4.1）式和（4.2）式可知，只要知道，便可以求出被測電阻的值。電容測量電路設(shè)計由一個555電路構(gòu)成的多諧

38、振蕩器電路。其振蕩周期為13： (4.3)圖4.4中，RC1與RC2、RC3與RC4、RC5與RC6、RC7與RC8的阻值相等，分別組成四個不同的量程。單片機控制繼電器選擇不同的電阻配對，可得到不同的量程，再將多諧振蕩器的輸出波形接到單片機的頻率測量端口，就能夠測量出振蕩器的輸出波形的頻率，通過式 (4.4) 可以計算出待測電容值。圖4.4 電容測量電路原理圖Figure 4.4 The capacitance measurement circuit principle diagram電感測量電路設(shè)計由電容和電感構(gòu)成電容三點式振蕩器，而振蕩頻率只和電容值和電感值有關(guān)，它們之間的關(guān)系為14：利用

39、這個公式，只須令C已知，通過測量F就可以求出L的值。如圖4.5所示，在電容三點式振蕩器中，C1、C2 分別采用1000pF和1000pF的獨石電容，其電容值遠遠大于晶體管極間電容，所以極間電容可以忽略。電路的穩(wěn)定性主要取決于電容，在此電路中采用性能較好的獨石電容，這樣使得電路的誤差精度可以保持在5以內(nèi)。由標稱元件和對應的待測元件組成的振蕩回路會振蕩出頻率穩(wěn)定的正弦波，該正弦波經(jīng)過放大器OPA820和比較器TLV3502之后會產(chǎn)生相應頻率的方波脈沖。接下來通過ATmega128L單片機測頻就可以實現(xiàn)對電感元件的測量。圖4.5 電感測量電路原理圖 The inductance measuremen

40、t circuit principle diagram本系統(tǒng)中采用HRS1H-S-DC5V繼電器作為量程切換模塊。該繼電器體積較小，使用簡單，ATmega128L單片機能夠直接驅(qū)動，不需要再加三極管進行電流放大，能實現(xiàn)自動切換量程的功能。該原理圖由14個繼電器組成，3個繼電器進行電阻的自動換擋測量，8個對電容進行自動換擋測量，余下的對電子元件類型進行自動換擋測量。繼電器的原理是當單片機給一個高電平時，繼電器閉合，這時繼電器就相當于導線，當為低電平時，繼電器處于斷開狀態(tài)。圖4.6 繼電器自動換擋電路 The relay automatic shift circuit 本系統(tǒng)中用到的電源共有5V，

41、12V，選擇了線性三端穩(wěn)壓芯片7805/7905、7812/7912來構(gòu)成電源電路核心。首先通過一個變壓器將220V市電變成18V的交流電，經(jīng)過整流橋和濾波電容之后，分別通過穩(wěn)壓芯片就得到了需要的4路電壓。在穩(wěn)壓芯片之后的電路中還需要加電容電感來構(gòu)成濾波電路15，這個濾波電路很重要，必須將輸出的直流電壓中交流紋波濾除到8mV以下才能保證運算放大器和其他模擬芯片的正常工作。其次，焊接和布線對電源質(zhì)量也有很大關(guān)系。焊接導線時需保持焊點光滑，不能有毛刺，特別是穩(wěn)壓芯片管腳上的焊點，有時候焊點的毛刺會帶來很大的紋波干擾16。布線時，盡量避免粗導線交叉，不同電源之間的導線應留有一定距離，盡量將線間干擾降

42、到最低。圖4.7 系統(tǒng)電源的電路圖Figure 4.7 The system of power supply circuit diagram鍵盤電路原理圖如圖4.8所示。鍵盤電路是一個很典型的 44 矩陣鍵盤電路。利用鍵盤對電子元件類型進行換擋測量。圖4.8 鍵盤電路原理圖Figure 4.8 The keyboard circuit principle diagram5系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括按鍵掃描、系統(tǒng)測量、液晶顯示等。其主流程圖如圖5.1所示： 開始按鍵掃描是否有按鍵值進入測量模式進行測量進入待測模式進行等待LCD顯示Nh是Y圖5.1 程序主流程圖 The program Z

43、huLiuCheng figure通電時，先對單片機及液晶進行初始化，然后進入鍵盤掃描狀態(tài)并判斷鍵盤是否有輸入值及鍵盤輸入值是多少，并根據(jù)輸入值進入測量模式或是待測模式，進入模式后，經(jīng)過程序運算后把相應的信息送往液晶顯示并返回鍵盤掃描狀態(tài)。測量模式程序流程如下圖5.2。 測量模式輸入 液晶顯示 電感模式 電感測量 電容測量 電容模式 電阻測量 電阻模式 模式值變化 啟動繼電器 圖5.2 測量模式程序流程圖Figure 5.2 The measurement model program flow chart當程序進入測量模式時，首先判斷按鍵按下的檔位值（即選擇測量電阻、電容、電感的檔位），然后根

44、據(jù)不同的檔位值通過繼電器自動切換到相應的檔位上。在電阻和電容測量電路中為提高測量精度都設(shè)有多個不同的測量量程。測量時，單片機會根據(jù)輸出的頻率值大小啟動繼電器切換到不同的測量量程進行測量，最后把測量的頻率值和換算的電子元件值送往12864液晶屏上顯示。電感測量時，不需要進行量程換擋，單片機直接根據(jù)電感測量電路輸出的頻率進行計數(shù)，再通過公式進行軟件調(diào)試，最后把數(shù)據(jù)輸出顯示在液晶上。6系統(tǒng)調(diào)試本設(shè)計的硬件電路由電源電路、單片機控制電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路、繼電器驅(qū)動電路、測量電路組成。在硬件調(diào)試中采用了分模塊調(diào)式方法進行調(diào)試。電源模塊調(diào)試：首先檢查電源模塊是否有短路、是否有接錯現(xiàn)象，確認正確

45、后再上電，再用萬用表測其輸出是否正常。單片機控制電路調(diào)試：測試單片機時先下載一個簡單的流水燈程序，觀察單片機的I/O口是否正常，最好是測一下I/O口的輸出電壓是多少，如果少于3.5v可能就驅(qū)動不了繼電器。正常的I/O口的輸出電壓應該在4.3v-5v之間。液晶顯示電路調(diào)試：如果單片機控制電路正常，然后給顯示電路上電，接著下載一個簡單的液晶顯示例程，若液晶能正常顯示，則該模塊可以正常使用。鍵盤輸入調(diào)試：下載一個簡單的鍵盤例程到單片機，觀察按鍵輸入和顯示的情況就可以知道鍵盤是否正常。繼電器驅(qū)動模塊調(diào)式：用單片機給繼電器輸入一個1HZ的方波頻率，是否聽到繼電器有閉合的響聲。如果能聽見“吱吱吱吱”的聲音

46、，說明繼電器良好。 測量電路模塊調(diào)試：首先固定一個檔位和量程，在沒有接被測元件時，用示波器檢測輸出端是否有信號頻率輸出，如果沒有再接上電子元件檢查是否有方波信號輸出，如果有信號輸出就說明調(diào)試成功，然后再換到另一個量程測試，依次類推下去。在軟件調(diào)式中直接將程序下載入單片機進行分模塊調(diào)試。首先調(diào)試液晶顯示模塊，接著調(diào)試按鍵掃描程序，觀察是否出現(xiàn)3種測量模式（電阻測量、電容測量、電感測量），最后調(diào)試驗證是否有頻率輸出顯示在液晶上。如果有，根據(jù)增大或減少頻率值調(diào)試自動換擋程序，如果正常就調(diào)試頻率轉(zhuǎn)換程序。如果上述調(diào)試都成功，那本設(shè)計的軟件調(diào)試就成功完成了。6.3 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)測試儀器 數(shù)字萬用表（GD

47、M-8248），雙蹤數(shù)字示波器（GDS-2202），直流穩(wěn)壓電源（DF1731SLL3A），雙蹤模擬示波器（GOS-6103C），數(shù)字電橋（型號：HF2817)。 電阻測試數(shù)據(jù)表6.1所示數(shù)據(jù)是通過標準數(shù)字電橋測量的電阻值與本系統(tǒng)測量的電阻值對比。表6.1 電阻測試數(shù)據(jù)Table 6.1 The resistance test data待測電阻值（標稱）/本系統(tǒng)測量值/電橋測量值/誤差1010.1010.111-0.11%100%300-0.94%1KK%51K+%110KKK%665K671KK%820K823KK-%1MMM-0.50%10MMM+0.39%電容測試數(shù)據(jù)表6.2 電容測試數(shù)

48、據(jù) The capacitance test data待測電容值（標稱）./F本系統(tǒng)測量值./F電橋測量值./F誤差100p110.61p114p-%560pp551p%3.61 n%100nnn+0.15%100n+1.01%560nnn%1u-%10u%47u46.5uu+%100uuu%電感測試數(shù)據(jù)表6.3 電感測試數(shù)據(jù)待測電感值（標稱）/H本系統(tǒng)測量值/H電橋測量值/H誤差10u10.52 u10.284 u%33uu u%100 u u u%270u-0.80%470 u uu+%570 u566.86 u5 u+%1m0273mm%3m3.134m%4.8m4.97675m4.95

49、7m+0.40%8.6m8.64m8.61m+0.35% The inductance test data誤差分析系統(tǒng)誤差來源比較多，比如電源的穩(wěn)定性，環(huán)境溫度的變化、運放的漂移，電路板的焊接，以及測試電路中標準元件的精確度等。但是，主要誤差是電源質(zhì)量和標準元件的精度造成的，為了克服這個問題，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量求平均值來減小誤差，然后在軟件中加入修正值。經(jīng)過求平均值后，系統(tǒng)的誤差得到有效的降低。7結(jié)束語該測量儀具有功能強、性能可靠、電路簡單、測量方便等特點，加上自行設(shè)計的浮點數(shù)的運算、累計頻率功能等，使它可方便地擴展其他功能，如頻率計。量程自動轉(zhuǎn)換等功能又

50、使這個測量儀表具有較高的智能化水平。本文設(shè)計的這種把元件參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率后測量的方法也有不足之處，主要是必須保證電路起振，并且振蕩要穩(wěn)定，否則會增加誤差。這也是今后需進一步完善的地方。 致謝經(jīng)過近三個月時間的努力，畢業(yè)設(shè)計已趨于完成。在畢業(yè)設(shè)計的階段，首先非常感謝我的指導老師*老師為我的畢業(yè)設(shè)計給予很大的幫助，在畢業(yè)設(shè)計選題的時候為我提供很好的畢業(yè)設(shè)計方案并做出詳細的講解，在我的畢業(yè)設(shè)計過程中給予耐心輔導和認真的監(jiān)督。正因為有了鄭老師的指導監(jiān)督、其他老師的幫助及自身的努力我的畢業(yè)設(shè)計才能夠勝利的完成。四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。

51、四年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。感謝我的爸爸媽媽，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入選題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助， 在這里請接受我誠摯謝意！ 人生的道路有許多的坎坷，有痛苦，有傷心，有無助，也有面對一切所不能忍受的，這就是生活。但是生活中確實有許多美好的東西，有些時候你不會看到它本身的色彩，如果你用這一種方式感受不到的話，不妨換一種方式去感受，也許它正是你所需要的那種生活方式。千萬不要放棄生活，你放棄了它，生活也就

52、放棄了你，人生貴在的是感受，會感受才會有幸福， 在生活中如果你感受的多了，那你才會感受到生活中的美好。 參考文獻1 何嘉揚, 趙志鵬編著.AVRHYPERLINK :/11:8080/opac/openlink.php?title=AVR%25%156%1C+j/%1A%12$C835%25-.%1B=%18單片機開發(fā)從入門到精通.北京:中國電力出版社,2009. 2 HYPERLINK :/www /KCMS/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%C0%EE%D3%C2&code=10808386;李勇. 淺談智能化測量儀器儀表中的設(shè)計

53、理念J. 硅谷, 2008, 6: 20. 3 古天祥等，電子測量原理M，北京，機械工業(yè)出版社，2004.8.4 吳治隆. 電路分析基礎(chǔ)M .重慶大學出版社, 2004.03.5 楊龍麟，電子測量技術(shù)M.重慶大學出版社，2004.6 6 高吉祥主編.全國大學生電子設(shè)計競賽培訓系列教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2007.6. 7 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第二版）M .北京：高等教育出版社，2004：145.8 余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第二版） .北京：高等教育出版社，2004：145.9 王幸之.AT89系列單片機原理與接口技術(shù)M .北京：北京航空航天大學出版社，2002：7

54、8. 10 吳治隆. 張華宇, 謝鳳芹, 王立濱等編著.AVR單片機開發(fā)入門與典型實例.北京:機械工業(yè)出版社,2011. 11 胡漢才編著.HYPERLINK :/11:8080/opac/openlink.php?title=(O%25%25AVR%25%156%1C+jD%1D0,%20C%16C3高檔AVR單片機原理及應用.北京:清華大學出版社,2008. 12 郭戌生等，電子儀器原理M，國防工業(yè)出版社，1989. 13 黃智偉編著.全國大學生電子設(shè)計競賽制作實訓M.北京：北京航天航空大學出版社，2007.2.14 王松武，蔣志堅，電子測量儀器原理及應用（I）通用儀器M，哈爾濱工程大學，

55、2002.15 楊吉祥等，電子測量技術(shù)基礎(chǔ)M，南京，東南大學出版社，2005.1.16 陸綺榮，電子測量技術(shù)M，北京，電子工業(yè)出版社，2007.1. 17 朱飛, 楊平編著.HYPERLINK :/11:8080/opac/openlink.php?title=AVR%25%156%1C+jCC_AD/%1A%12835C%25T=:%250mAVR單片機C語言開發(fā)入門與典型實例.北京:人民郵電出版社,2009 .附錄附錄A：作品實物圖附錄B：主程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#de

56、fine ulong unsigned long#define LCD_DATA_PORT PORTA /定義LCD的D0-D7所在端口#define LCD_DATA_POUT DDRA|=0 xFF /定義LCD數(shù)據(jù)端#define LCD_Control_OUT DDRB|=0 xF0#define LCD_PSB_1 PORTB|=1PB7#define LCD_PSB_0 PORTB&=(1PB7)#define LCD_RS_1 PORTB|=1PB4#define LCD_RS_0 PORTB&=(1PB4)#define LCD_RW_1 PORTB|=1PB5#define

57、LCD_RW_0 PORTB&=(1PB5)#define LCD_EN_1 PORTB|=1PB6#define LCD_EN_0 PORTB&=(10;i-) for(j=ms;j0;j-);/*寫指令*/void write_cmd(uchar cmd)/lcd寫指令 LCD_RS_0 ;/RS=0 7 LCD_RW_0 ;/RW=0 LCD_DATA_PORT=cmd; delay(20); LCD_EN_1 ;/E=1 delay(20); LCD_EN_0 ;/E=0 delay(10);/*寫數(shù)據(jù)*/void write_data(uchar data)/lcd寫數(shù)據(jù) LCD_R

58、S_1 ;/RS=1 LCD_RW_0;/RW=0 LCD_DATA_PORT=data; delay(10); LCD_EN_1;/E=1 delay(10); LCD_EN_0;/E=0/*寫坐標子程序*/void lcd_pos(uchar x,uchar y) uchar pos; if(x=1) x=0 x80; else if(x=2) x=0 x90; else if(x=3) x=0 x88; else if(x=4) x=0 x98;pos=x+y;write_cmd(pos); /顯示地址/*液晶初始化*/void initi_lcd()/初始化lcd LCD_PSB_1;

59、/PSB=1選擇并行 write_cmd(0 x30); delay(5); write_cmd(0 x30); delay(5); write_cmd(0 x0c); delay(5); write_cmd(0 x01); delay(5); write_cmd(0 x06); delay(5);void name()/顯示數(shù)字RCL測試儀 lcd_pos(1,0) ; s=0; while (string3s!=0) write_data(string3s); s+; delay(5) ; lcd_pos(2,1) ; s=0; while (string16s!=0) write_dat

60、a(string16s); s+; delay(5) ; void display10()/顯示頻率=XXXXXX Hz lcd_pos(3,0) ; s=0; while (string4s!=0) write_data(string4s); s+; delay(5) ; wwan=pinglv/100000000+0 x30; qwan=pinglv%100000000/10000000+0 x30; bwan=pinglv%10000000/1000000+0 x30; swan=pinglv%1000000/100000+0 x30; wan=pinglv%100000/10000+0