電子應(yīng)用設(shè)計(jì)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)題目簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)一設(shè)計(jì)指標(biāo)1設(shè)計(jì)方案通過對(duì)方案的比較，利用LRC數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻、電容測(cè)試儀更為簡(jiǎn)便可行，節(jié)約成本。所以，本文選定以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容測(cè)量的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)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(jīng)過橋式整流、濾波電路濾波，再經(jīng)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(hào)產(chǎn)生模塊標(biāo)準(zhǔn)正弦波是保證測(cè)量?jī)x的重要條件，特別是在測(cè)量電抗元件電容時(shí)，正弦波的失真將產(chǎn)生難以修正的錯(cuò)誤，直接影響測(cè)量精度，因此在該測(cè)量?jī)x中為保證測(cè)量精度，采用了ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)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(diǎn)，外部只需接入很少的元件即可工作，可產(chǎn)生多種頻率正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)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(yùn)放和LC電路對(duì)LRC測(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流濾波，因?yàn)闇y(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負(fù)信號(hào)，所以要通過整流濾波給后面的AD采樣。因?yàn)檎鳛V波是高阻輸入，但也不是無窮大，所以在做測(cè)試模塊時(shí)，分壓電阻最好小于100K。（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。（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(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理；通過按鍵控制測(cè)量的類型和單位。（6）顯示模塊通過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)離開測(cè)試能夠迅速歸零系統(tǒng)硬件總體框圖100HZ/1KHZ/10KHZ正弦信號(hào)檔位選擇精密分壓電阻測(cè)量對(duì)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(zhuǎn)換高精度AD轉(zhuǎn)換精密濾波電路MPS430F149低功耗單片機(jī)穩(wěn)壓電源軟件由4部分組成（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)量來說至關(guān)重要（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(jì)算1電阻測(cè)量模塊參數(shù)選取考慮到量程，我們將電阻測(cè)量分為5個(gè)量程，分別為20,K2,20,KK20,M2。2電容測(cè)量模塊參數(shù)選擇LM555構(gòu)成的多諧振蕩器LM555電路構(gòu)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(cè)量分為兩個(gè)量程，PF0和PF10。在第一量程，MR2,51，第二量程，MR2,51。電阻高精度測(cè)量較好的方法之一是采用與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較的方法。其主要原理是在待測(cè)電阻RX與標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量電阻為RX（）1在設(shè)計(jì)中，我們采用了與測(cè)量電阻相同的測(cè)量方法電壓相除法來測(cè)量電容。由于電容屬電抗元件，因此不能采用直流來產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，而只能采用交流信號(hào)。在角頻率為W的交流信號(hào)的作用下，電容獲得的電壓為XCXJWCIU/（2）為待測(cè)電容。這樣一來，標(biāo)準(zhǔn)元件的選擇就有許多種方法。但為了提高測(cè)量精度和降低成本，該測(cè)量?jī)x采用了標(biāo)準(zhǔn)電阻，且與電阻測(cè)量公用一套標(biāo)準(zhǔn)電阻。所以有1RIURI（3）經(jīng)過計(jì)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(cè)量精度，必須保證電阻的精度和W的高穩(wěn)定值。為此，我們?cè)谠撛O(shè)計(jì)中采用了高精度的ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波，同時(shí)輸出緩沖器采用了運(yùn)算放大器。為保證波形精度采用了閉環(huán)深度負(fù)反饋方式。此外，本設(shè)計(jì)中還采用了運(yùn)算放大器補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)無失真ACDC的轉(zhuǎn)換，以確保測(cè)量精度。二系統(tǒng)框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖被測(cè)電阻被測(cè)電容RC震蕩電路RC震蕩電路量程轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)LED顯示器框圖各部分說明如下1控制部分本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，采用51單片機(jī)，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈本設(shè)計(jì)中，設(shè)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(jiǎn)單。數(shù)碼管顯示本設(shè)計(jì)中有1個(gè)74HC02、2個(gè)74LS573、1個(gè)2803驅(qū)動(dòng)和6個(gè)數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動(dòng)態(tài)顯示部分，降低功耗。鍵盤本設(shè)計(jì)中有SR，SC，SL三個(gè)按鍵，可靈活控制不同測(cè)量參數(shù)的切換，實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)量。2通道選擇本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)控制CD4052模擬開關(guān)來控制被測(cè)頻率的自動(dòng)選擇。3測(cè)量電路RC震蕩電路是利用555振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電阻和被測(cè)電容頻率化。電容三點(diǎn)式振蕩電路是利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電感參數(shù)頻率化。通過51單片機(jī)的IO口自動(dòng)識(shí)別量程切換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。三系統(tǒng)設(shè)計(jì)1電阻、電容、電感測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案比較電阻、電容、電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)可用多種方案完成，例如利用模擬電路，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)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(jī)結(jié)合或CPLD與EDA相結(jié)合等等來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)前對(duì)各種方案進(jìn)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(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。（2）可編程邏輯控制器PLC應(yīng)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(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，因而成本過高。（3）采用CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)電阻，電容，電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，利用MAXPLUSII集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)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(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（4）利用振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合利用555多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，而電感則是根據(jù)電容三點(diǎn)式電路也轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率F是單片機(jī)很容易處理的數(shù)字量，一方面測(cè)量精度高，另一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，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)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機(jī)具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機(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，本次設(shè)計(jì)選定以單片機(jī)為核心來進(jìn)行。2硬件設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)電路把外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的33V電壓，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖所示，采用的是AMS1117芯片，可以輸出33V電壓，然后經(jīng)過濾波輸出穩(wěn)定的33V供給MSP430F149。穩(wěn)壓33V產(chǎn)生電路（2）LRC測(cè)量電路上圖所示，LRC各元件的測(cè)量是通過基本的RR電路，RL電路和RC電路來進(jìn)行的。當(dāng)探針的兩端接電阻元件時(shí)，此電路就組成的是基本的RR電路；當(dāng)探針的兩端接電容元件時(shí)，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(yùn)放和LC電路對(duì)LRC測(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流濾波。因?yàn)闇y(cè)試電路產(chǎn)生的信號(hào)是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負(fù)信號(hào)，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(shè)計(jì)（1）I/O口的分配P10R測(cè)量程序的選擇P11C測(cè)量程序的選擇P12L測(cè)量程序的選擇P13P14多路選擇開關(guān)控制選擇P10、P11和P12按鍵輸入及測(cè)量指示燈在本設(shè)計(jì)的模塊中，模塊是以單片機(jī)為核心，再通過按鍵控制測(cè)量的被測(cè)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(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測(cè)參數(shù)的選擇，被測(cè)參數(shù)各個(gè)燈的選擇以及具體設(shè)置。通過三個(gè)按鍵SR,SC,SL來進(jìn)行靈活控制，具體操作流程如下圖所示。開始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操作有無RLC測(cè)試儀的軟件流程圖首先插入被測(cè)元件，開關(guān)打開以后，按下SET鍵，進(jìn)行復(fù)位，然后進(jìn)行按鍵選擇，選擇被測(cè)參數(shù)類別，之后單片機(jī)根據(jù)按鍵類別啟動(dòng)相應(yīng)的參數(shù)測(cè)試程序，測(cè)試完畢后將結(jié)果送入數(shù)碼管顯示。四，測(cè)量方法開始初始化鍵掃描健分析，置狀態(tài)R測(cè)試狀態(tài)C測(cè)試狀態(tài)L測(cè)試狀態(tài)開中斷定時(shí)器設(shè)置通道及指示燈的設(shè)置采值并計(jì)算顯示結(jié)束NOYES1測(cè)量電阻電路的設(shè)計(jì)定時(shí)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(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。電阻的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測(cè)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(cè)試建SR，閉合開關(guān)SRD,R2330,C2022UF396566/2330/2（2）1000RX1M按下電阻測(cè)試建SR，閉合開關(guān)SRG,R120K,C3103PF31014438/24電阻測(cè)試電路2測(cè)量電容電路的設(shè)計(jì)電容的測(cè)量同樣采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測(cè)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?cè)O(shè)置R1R2,得出31213LN2/1即13LN21313電路分為1檔R4510K,R4R6；3140946/電容測(cè)試電路五總結(jié)通過對(duì)電阻、電容、電感測(cè)試儀的課程設(shè)計(jì)，鍛煉了我的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)了我們解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。本設(shè)計(jì)的硬件電路圖簡(jiǎn)單,可降