简易LCR测量仪.docx
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简易LCR测量仪
2015大连理工大学电子设计竞赛
暨全国电子设计竞赛选拔赛
简易LCR测量仪（D题）
2015年6月5日
摘要
本设计中把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过测频法则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。
然后根据所测频率判断是否切换单位，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送液晶屏，并显示相应的参数值。
简易LCR测量仪（D题）
【三只牛犊组】
1系统方案
本系统主要由电子元件集中参数R、L、C转频率模块、主控模块、R,L,C切换模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1测量方案的论证与选择
方案一：
电桥法
电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。
电桥的平衡条件为
通过调节阻抗
、
使电桥平衡，这时电表读数为零。
根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。
用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。
这样，电桥法不易实现自动测量。
方案二：
伏安法
伏安法有固定轴法和自由轴法两种，区别在于相敏检波器的相位参考基准选取的不同。
实际上，相敏检波的相位参考基准代表坐标轴的方向，相敏检波器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。
但此方案需要信号源，由于信号源的制作较为繁琐，不够简洁。
方案三：
谐振法
利用555的多谐震荡电路及电容三点式震荡电路将电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。
其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。
综合以上三种方案，我们组最后决定使用方案三。
1.2R,L,C切换模块的论证与选择
方案一：
4路模拟开关CD4066
CD4066芯片（全称：
四路模拟开关集成电路）内部含有A、B、C、D四路模拟开关，A路模拟开关由引脚13控制、B路模拟开关由引脚5控制、C路模拟开关由引脚6控制、D路模拟开关由引脚12控制。
所有的控制引脚由软件编程控制，当控制线由软件置“1”时，该模拟开关闭合，当控制线由软件置“0”时，该模拟开关断开，且四路模拟开关可独立使用。
但由于其断开时不能完全断开而只是阻抗很大，因此在进行RLC切换时会出现信号干扰问题。
下图为CD4066的内部结构图：
方案二：
电磁继电器
电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
其开关的闭合与打开符合条件，不会出现信号干扰问题。
综合以上两种方案，我们组最后决定使用方案二。
1.3控制系统的论证与选择
方案一：
STM32
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M内核但其编程较为复杂，价格也不占优势。
方案二：
STC89C52
·8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）
·128bytes的数据存储器（RAM）（52有256bytes的RAM）
·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令
·21个专用寄存器
·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）
·一个全双工串行通信口
·外部数据存储器寻址空间为64kB
·外部程序存储器寻址空间为64kB
·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装
·单一+5V电源供电
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格；
I/O口：
四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出
T/C：
两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；
五个中断源的中断控制系统；
一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；
片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。
最佳振荡频率为6M—12M。
由于此方案需要单片机完成的工作只有驱动液晶，测量频率及简单计算，51完全可以胜任，且51性价比不错.因此选用51作主控芯片。
综合以上两种方案，我们组最后决定使用方案二。
2系统理论分析与计算
2.1LCR值转频率电路的分析
2.1.1RC值转频率电路（NE555芯片构成的多谐振荡器）
电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。
定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。
放电端D（7脚）接在R1和R2之间。
电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。
直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。
多谐振荡器的放电时间常数分别为
tPH≈0.693×（R1+R2）×C1
tPL≈0.693×R2×C1
振荡周期T和振荡频率f分别为
T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1
f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]
2.1.2L值转频率电路
电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图2.5.1所示。
三点式电路是指：
LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。
在这个电容三点式振荡电路中，C4C5分别采用1000pF、2200pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。
振荡公式：
，其中C为C1C2串联容值
则电感的感抗为
2.2LCR值转频率的计算
2.2.1
电阻计算公式：
R=138720677*（1/f）-325.5
单位：
电阻：
欧，频率：
Hz
2.2.2
电容计算公式：
C=0.00050037*（1/f）
单位：
电容：
pf，频率：
Hz
2.2.3
电感计算公式：
L=661102.8/（f*f）
单位：
电感：
H频率：
Hz
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如下图所示：
3.1.2LCR值转频率电路原理图
1、R值转频率电路原理图：
2、C值转频率电路原理图：
3、L值转频率电路原理图：
4、过零比较电路：
3.1.3档位切换电路原理图
1、继电器部分切换电路：
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压，确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置，测频和显示。
1）键盘实现功能：
选择测量对象（R、C、L），按键切换单位，复位。
2）显示部分：
显示测量频率和所测元件值。
2、程序设计思路
对系统初始化之后，判断是否有按键按下。
以测电阻为例，若按下R开关，单片机输出高信号驱动继电器闭合。
测量的电阻经RC振荡电路转换为频率f，根据测电阻的换算公式，利用单片机软件编程，测量出其阻值并送显示。
使用外部中断实现按键切换单位和按键复位功能。
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
LCR测试方法：
通过使用LCR测试仪，测量出较精确的LCR值，然后通过示波器读出所显示方波的频率，由此通过公式反推出LCR的理论值，再与实际测量的LCR值比对，调整参数。
2、软件仿真测试
通过信号发生器连接单片机，通过液晶屏读取频率值。
3、硬件软件联调
通过硬件组装，通过按键切换，用液晶屏显示理论值，与硬件测试时的理论值与实际值进行比对，记录数值，调整参数。
4.2测试条件与仪器
测试条件：
仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：
示波器，数字万用表，LCR测试仪。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果（数据）
通过LCR测量的R值数据及通过液晶屏显示的频率数据：
通过公式算出的理论值及理论值与实际值的误差
通过excel图象拟合数据：
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
1、电阻的测量值与实际值的误差能控制在1%以内
2、
3、
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：
电路原理图
一．测
的RC振荡电路：
二．测Cx的RC的振荡电路：
三．测量Lx的电容三点式振荡电路：
过零比较电路：
四．部分仿真电路：
多谐振荡电路：
电容三点式振荡电路及方波变换电路：
五．继电器部分切换电路：
附录2：
源程序
#include"LCD1602.h"
#include
#include
#include
#definek830016036
sbitkeyR=P2^5;
sbitkeyC=P2^4;
sbitkeyL=P2^3;
sbittestR=P1^0;
sbittestC=P1^1;
sbittestL=P1^2;
sbitR_large=P1^3;
sbitR_small=P1^4;
sbitC_large=P1^5;
sbitC_small=P1^6;
sbitcounter=P3^4;
sbittimer=P3^5;
sbitflag=P3^2;
sbitreset=P3^3;
ucharidataf_display[20];
ucharidatadisplay_lcd[20];
uintflag_rcl;
uintflag_danwei;
uintflag_reset;
uinttimer_yichu=0,counter_yichu=0;
uintfenpin_rate,m,n,f_L;
voidinit（void）;
voidkeypress（void）;
voidcepin（void）;
voiddisplay（floatf）;
voidpanduan（void）;
voidmain（）
{
lcd_init（）;
init（）;
write_string（1,0,"designedby"）;
write_string（1,1,"threecalves"）;
delay_ms（1000）;
clear_screen（）;
while
（1）
{clear_screen（）;
flag_reset=0;
write_string（1,1,"waiting..."）;
while
（1）
{
keypress（）;
panduan（）;
if（flag_reset==1）
break;
}
}
}
voidinit（void）//初始化
{
TMOD=0x15;//T1定时器，T0计数器
TH1=0x3c;//定时50ms
TL1=0xb0;
TH0=0;
TL0=0;
IT0=1;//外部中断下跳沿触发
IT1=1;//外部中断下跳沿触发
ET1=1;
ET0=1;
EX0=1;
EX1=1;
EA=1;
TR1=1;
TR0=1;
PT0=1;//计数器中断优先
flag_rcl=0;
flag_danwei=0;
flag_reset=0;
}
voidkeypress（void）
{
while
（1）
{
if（keyR==0）
{
testR=1;
testC=0;
testL=0;
flag_rcl=1;
}
elseif（keyC==0）
{
delay_ms（5）;
if（keyC==0）
{
testR=0;
testC=1;
testL=0;
flag_rcl=2;
}
while（keyC==0）;
}
elseif（keyL==0）
{
delay_ms（5）;
if（keyL==0）
{
testR=0;
testC=0;
testL=1;
flag_rcl=3;
}
while（keyR==0）;
}
if（flag_rcl!
=0）
break;
}
}
voidpanduan（void）
{
if（flag_rcl==0）;
if（flag_rcl==1）
{
cepin（）;
}
elseif（flag_rcl==2）
{
cepin（）;
}
elseif（flag_rcl==3）
{
cepin（）;
}
}
voidcepin（void）
{
unsignedlongf_test;
timer_yichu=0;
counter_yichu=0;
TMOD=0x15;
TH1=0x3c;//初始50ms
TL1=0xb0;
TH0=0;
TL0=0;
TCON=0x50;
while（timer_yichu!
=20）;
TCON=0;
f_test=TH0*256+counter_yichu*65536+TL0;
display（f_test）;
}
voiddisplay（floatf）//液晶屏显示函数
{
floatvlaue_r0;
floatvalue_r;
floatvalue_c;
floatvalue_l;
clear_screen（）;
if（f>1000000.00）
sprintf（f_display,"Freq:
%2.4fMhz",（f/1000000.00））;
elseif（f>1000.00）
sprintf（f_display,"Freq:
%4.2fKhz",（f/1000.00））;
elsesprintf（f_display,"Freq:
%3.2fhz",f）;
write_string（0,0,f_display）;
if（flag_rcl==1）//R
{
vlaue_r0=138720677/f-326.4;
if（vlaue_r0<300）
value_r=0.8882*vlaue_r0+14.887;
elseif（（vlaue_r0>300）&&（vlaue_r0<500））
value_r=0.9232*vlaue_r0+8.3454;
elseif（（vlaue_r0>500）&&（vlaue_r0<1000））
value_r=1.0497*vlaue_r0-55.115;
elseif（（vlaue_r0>1000）&&（vlaue_r0<5000））
value_r=1.0747*vlaue_r0-69.451;
elseif（（vlaue_r0>5000）&&（vlaue_r0<10000））
value_r=1.0698*vlaue_r0-17.569;
else
value_r=1.0471*vlaue_r0+29.594;
if（flag_danwei==0）
sprintf（display_lcd,"R:
%4.5fo",value_r）;//需要修改
if（flag_danwei==1）
sprintf（display_lcd,"R:
%4.5fKo",value_r/1000）;
if（flag_danwei==2）
sprintf（display_lcd,"R:
%4.5fMo",value_r/1000000）;
}
if（flag_rcl==2）//C
{
value_c=0.00050037/f;
if（flag_danwei==0）
sprintf（display_lcd,"C:
%4.2fF",value_c/1000000）;//需要修改
if（flag_danwei==1）
sprintf（display_lcd,"C:
%4.2fpF",value_c）;
if（flag_danwei==2）
sprintf（display_lcd,"C:
%4.2fuf",value_c*1000000）;
}
if（flag_rcl==3）//L
{
value_l=600782/（f*f）;//电感公式
sprintf（display_lcd,"L:
%4.2fmH",value_l*1000）;//需要修改
}
write_string（0,1,display_lcd）;
}
voidtimer1（void）interrupt3//定时器服务函数
{
timer_yichu++;
TH1=0x3c;//重装载50ms
TL1=0xb0;
}
voidcounter0（void）interrupt1//计数器服务函数
{
counter_yichu++;
TH0=0;
TL0=0;
}
voidint0（void）interrupt0//外部中断切换单位服务函数
{
delay_ms（5）;//软件消抖
if（flag==0）
{
flag_danwei++;
while（!
flag）;//松手检测
}
if（flag_danwei==3）
flag_danwei=0;
}
voidint1（void）interrupt2//外部中断reset
{
delay_ms（5）;//软件消抖
if（reset==0）
{
flag_reset=1;
flag_rcl=0;
while（!
reset）;//松手检测
}
}
0.0005049155
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