简易数字式电阻电感电容测试仪.docx
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简易数字式电阻电感电容测试仪
简易数字式电阻、电感、电容测试仪
设计报告
学校：
西安科技大学
设计成员：
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指导老师：
朱代先
时间：
2010年8月13日
简易数字式电阻、电感和电容测量仪
摘要
本系统主控制部分采用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149。
以自制电源作为LRC测量模块和各个主要控制芯片的输入电源，测量原理是通过测量电阻、电容或者电感和标准电阻各自的引起的频率变化，利用频率与电阻、电容、电感的函数关系推算出电阻值、电容值或者电感值。
测量的原理是LM311组成的LC震荡器的震荡回路的频率由单片机采样，然后再依据震荡频率计算出对应的电容或电感值，以及由NE555多谐振荡电路实现对电阻的测量。
软件设计部分使用C语言编程编写了包括控制测量程、按键处理、电阻电感电容计算、液晶显示程序。
利用MSP430F149单片机控制测量和计算结果，测量结果采用12864液晶模块实时显示。
关键词：
MSP430F149、NE555芯片、LRC测量、12864液晶
目录
1系统总体方案设计1
1.1系统方案选择1
1.2系统软硬件总体设计1
1.2.1硬件部分1
1.2.2软件部分2
2系统模块设计3
2.1硬件模块设计3
2.1.1电感电容测量模块3
2.1.2电阻测量模块4
2.1.3主控制模块5
2.1.4AD采样模块5
2.1.5液晶显示模块5
2.2软件模块设计5
2.2.1控制测量程序模块5
2.2.2按键处理程序模块6
2.2.3电阻电感电容计算程序7
2.2.4液晶显示程序模块7
3系统测试8
3.1测试原理8
3.2测试方法8
3.3测试结果8
3.4测试分析9
4系统总结9
参考文献：
10
1系统总体方案设计
1.1系统方案选择
方案一.基于模拟电路的测量仪
利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数法和同步分离法等，虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。
方案二.可编程逻辑控制器（PLC）
采用PLC对硬件进行控制，应用较为广泛。
它能够非常方便地集成到工业控制系统中。
其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，成本过高。
方案三.利用LRC振荡电路与单片机结合
利用LRC振荡电路将电阻、电容和电感参数转化为频率模拟信号，此模拟量由高精度AD转换芯片转换为数字量。
这样由单片机处理数字量，能够满足测量精度高、易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。
通过对上述方案的比较，利用LRC振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。
所以，本系统选定已MSP430F149单片机为核心来实现对电阻、电容和电感测量的设计。
1.2系统软硬件总体设计
1.2.1硬件部分
硬件设计主要分为四部分：
（1）用RC和RL电路实现LRC振荡电路的功能，测量电阻、电容、电感模块。
（2）利用MSP430F149单片机自带的AD实现模拟信号转换为数字信号的功能。
（3）MSP430F149单片机接收转换后的数字信号并做相应的处理，根据按键状态控制测量的类型和单位。
（4）测量结果显示部分，采用的是12864液晶显示器。
系统硬件设计总体框图如下：
图1-1系统硬件框图
1.2.2软件部分
软件设计主要分为四部分：
（1）控制测量程序,单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还负责数据的修正和传输;
（2）按键处理程序，根据按键的状态做相应的功能设置;（3）电阻电感电容计算程序,单片机根据A/D转换得到的电压值计算出电阻、电感或者电容值;（4）液晶显示程序。
本系统的程序总体框图如下：
图1-2系统软件框图
2系统模块设计
2.1硬件模块设计
2.1.1电感电容测量模块
电路图2-1的核心是由LM311组成的LC振荡器。
图2-1电感电容测量
测量的原理是由单片机通过对LM311输出端进行频率的采样，然后依据采集到的频率再计算出对应的电容或电感值。
为了提高测量的精度，采用了以一个已知的标准电容L2为基准。
由一个1000PF的聚苯乙烯电容和一个20PF的瓷介质电容并联而成，精度低，当C2未接入电路时，由L1、C1组成的振荡器的频率然后将C2与C1并联，这时,由L1和C1+C2组成的振荡器的频率通过计算得：
（2-1）
和
（2-2）
可以看出L1和C1是基于已知的标准电容C2和两次测量的频率F1和F2计算出来的因此及准确性主要取决于标准电容的精度。
测算出F1、L1和C1之后，再用待测的电容Cx代替出C2接入回路中，测出的由L1和C1+Cx组成的振荡器的频率F2,由公式
（2-3）
就可以求出Cx。
同理也可以用公式
（2-4）
测出Lx。
2.1.2电阻测量模块
电路图2-2是一个由555电路构成的多谐振荡电路。
图2-2电阻测量
它的振荡周期T=（㏑2）（R4+2Rx）C8，故可以导出R4+2Rx=1/（（㏑2）C8f）可以求得Rx
为使振荡频率保持在10kHz-100kHz这一段单片机计数的高精度范围内，需选择合适的C8值和R4值。
同时不使电阻功耗过大，在第一个量程选择R4=200欧姆，C8=0.22uf；第二个量程R4=20k欧姆，C8=1000pf。
这样，第一个量程中，Rx=100欧姆时（下限），有一个相应的频率输出。
第二个量程中，Rx=1MΩ时（上限）时，有一个相应的频率输出。
因为RC振荡的稳定度可达10ˉ³，单片机测量频率最多误差一个脉冲，所以由单片机测频率值引起的误差在百分之一以下。
量程自动转换原理，单片机在第一频率的记录中发现频率过小，即通过继电器转换量程。
再测频率。
求出Rx的值。
2.1.3主控制模块
本模块采用低功耗的MSP430F149微处理器控制AD装换，并对转换结果数据进行接收和处理；通过按键控制测量的类型和单位。
2.1.4AD采样模块
本模块利用MSP430F149单片机自带的AD转换功能把整流滤波后的模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号，并传送给处理器。
2.1.5液晶显示模块
通过LCD驱动程序对MSP430F149处理后的结果数据进行稳定显示，在测试期间显示能够保持稳定状态，当离开测试能够迅速归零。
2.2软件模块设计
2.2.1控制测量程序模块
单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还负责数据的修正和传输;因此主控制器的工作状态直接决定着整个测量系统能否正常工作,所以控制测量程序对整个测量来说至关重要。
控制测量流程图如图3-1所示。
图3-1控制测量程序流程图
2.2.2按键处理程序模块
按键处理程序的主要功能是设置测量的类型和测量的档位，当有按键被按下时就执行相应的按键功能，流程如图3-2所示。
图3-2按键处理程序流程图
2.2.3电阻电感电容计算程序
单片机根据A/D转换得到的电压值计算出电阻、电感或者电容值，该程序流程图如图3-3所示。
图3-3电阻电感电容计算程序流程图
2.2.4液晶显示程序模块
该程序模块只有一个功能，就是对测量结果清晰正确的显示出来，并能够保持稳定。
程序流程图如图3-4所示。
图3-4液晶显示程序模块流程图
3系统测试
3.1测试原理
在系统设计中，以MSP430F149单片机为核心的电阻、电容、电感测试仪，将电阻，电容，电感，使用对应的振荡电路转化为电压实现各个参数的测量。
将频率模拟电压信号送入AD采样，通过AD把模拟信号转换为数字信号，再把数字信号送入MSP430F149单片机处理。
以IAREmbeddedWorkbench为仿真平台，使用C语言编写了系统应用软件；包括主控制模块、显示模块、电阻测试模块、电容测试模块和电感测试模块。
3.2测试方法
在测试时将被测参数通过本系统测量出来的示值与参数的标称值进行对比，得到本系统的测量精度。
测试仪器为示波器和万用表。
3.3测试结果
通过按键操作，实现测量类型和量程的选择，根据测量结果对设计进一步进行校正和对实现功能的可靠性的确认。
测试结果如下：
1．电阻测试数据如表1所示。
表1电阻测试数据
标称值
（Ω）
系统测量
（Ω）
相对误差
（%）
6.7k
6.9k
2.9%
8.8k
8.9k
1.13%
19.8k
20.4k
3.3%
117k
117．140k
0.12%
500k
489.205k
2.2%
2．电容测试数据如表2所示。
表2电容测试数据
读取示值
（pF）
标称值
（pF）
相对误差值
（%）
1160
1000
16%
6000
5100
17%
10800
10000
8%
3．电感测试数据如表3所示
表3电感测试数据
读取示值
（mH）
标称值
（mH）
相对误差值
（%）
3.4测试分析
在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法等都对测试值有一定的影响，都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值。
为了减小本设计中误差的大小，主要利用修正的方法来减小本测试仪的测量误差。
所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中，求取某类系统误差的修正值。
在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键，修正值的获得有三种途径。
第一种途径是从相关资料中查取；第二种途径是通过理论推导求取；第三种途径是通过实验求取。
本测试修正值选取主要通过实验求取，对影响测量读数的各种影响因素，如温度、湿度、电源电压等变化引起的系统误差。
通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值，最后确定被测参数公式的常数K值，从而达到减小本设计系统误差的目的。
由于振荡电路外围器件由电容电阻分立元件搭接而成，所以由振荡电路产生的被测参数对应的频率有一定的误差，所以只能通过多次实验测量，选取合适的修正值来尽可能的减少本测试系统的误差。
4系统总结
本系统采用单片机和LRC数字电桥结合的方式实现了一个简易数字式电阻、电容和电感测量仪，到达了系统基本要求。
本仪器利用单片机技术实现了电感电容测量的智能化设计,而且系统性能稳定,测量精度较高,相对误差小,操作简单,具有较强的实用性。
当然本系统还存在着许多需要改进的地方，比如还可以继续提高测量的精度和加大测量的范围。
因为是采用单片机实现的，利用其可以编程的特性，使测量的值结合一些数据处理方式使测量更加接近真实值。
本系统也还有许多可以扩展的功能，可以增加语音功能，每次测量值稳定的时候就通过语音报告出来；也可以增加在线测量的功能，这样就更能够测量出元件工作时的正常值，而不仅仅是静态时的值。
参考文献：
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机械工业出版社,2007.8.
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电子工业出版社,2009.4.
[3]唐吉祥，高频电子线路设计[M].北京：
电子工业出版社,
[4]唐竞新，数字电子电路[M].北京：
清华大学出版社,2007.5
[5]秦龙，MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京：
电子工业出版社,2007.7
[6]
[7]
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