电子应用设计报告

实验题目：简易数字式电阻、电容测量仪设计一．设计指标1.设计方案通过对方案的比较，利用LRC数字电桥与单片机结合实现电阻、电容测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本文选定以单片机为核心来实现对电阻、电容测量的设计。本系统包括硬件设计和软件设计两部分内容。硬件件由6部分组成：（1）电源模块输入的外部电源首先经过桥式整流、滤波电路滤波，再经过AMS1117芯片稳压成3.3V的直流电压，向MSP430F149主控制器供电。（2）信号产生模块标准正弦波是保证测量仪的重要条件，特别是在测量电抗元件电容时，正弦波的失真将产生难以修正的错误，直接影响测量精度，因此在该测量仪中为保证测量精度，采用了ICL8038芯片产生正弦波。ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制作成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、易用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可产生多种频率正弦波，其函数波形的频率受内部或外部电压控制。（3）整流滤波模块整流滤波模块采用LM324的集成运放和LC电路对LRC测试模块产生的信号进行整流滤波，因为测试模块产生的信号是正弦波，而AD采样没办法采集负信号，所以要通过整流滤波给后面的AD采样。因为整流滤波是高阻输入，但也不是无穷大，所以在做测试模块时，分压电阻最好小于100K。（4）AD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。（5）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。（6）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系统硬件总体框图：软件由4部分组成：100Hz/1KHz/10KHz正弦信号档位选择精密分压电阻测量对象电阻、电容精密滤波电路稳压电源稳压电源3.3V键盘控制模块LCD显示模块高精度AD转换高精度AD转换精密滤波电路MPS430F149低功耗单片机稳压电源（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;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;（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或者电容值;（4）液晶模块显示程序。系统软件总体框图：2.理论分析与计算(1)电阻测量模块参数选取考虑到量程，我们将电阻测量分为5个量程，分别为：200~20,K2~200,KK20~2,Kk200~20,MK2~200。(2)电容测量模块参数选择LM555构成的多谐振荡器：LM555电路构成的多谐振荡电路的振荡周期为：CRRCRRttT)2)(2(ln))(2(ln212121（2.3.1）即])2/[(ln1221CfRR(2.3.2)我们选择将电容的测量分为两个量程，pFpF1000~100和pFpF10000~1000。在第一量程，MRMR2.2,5.521，第二量程，MRMR22.0,55.021。电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法。其主要原理：是在待测电阻RX与标准电阻R1的串联电路中加一电流I。这样RX和R1上将得到电压VX和，则测量电阻为：RX＝Ｒ１（ＶＸ／Ｖ１）(1)在设计中，我们采用了与测量电阻相同的测量方法——电压相除法来测量电容。由于电容属电抗元件，因此不能采用直流来产生测量信号，而只能采用交流信号。在角频率为w的交流信号的作用下，电容获得的电压为：xcxjwCIU/（2）xC为待测电容。这样一来，标准元件的选择就有许多种方法。但为了提高测量精度和降低成本，该测量仪采用了标准电阻，且与电阻测量公用一套标准电阻。所以有：1RIURI（3）经过计算可得：cxRIxUwRUC1/（4）其中的模值。由公式其中RIU、CxU和LxU分别为RIU、CxU和LxU的模值，为保证测量精度，必须保证电阻的精度和w的高稳定值。为此，我们在该设计中采用了高精度的ICL8038芯片产生正弦波，同时输出缓冲器采用了运算放大器。为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式。此外，本设计中还采用了运算放大器补偿实现无失真AC-DC的转换，以确保测量精度。二．系统框图系统设计框图：被测电阻被测电容RC震荡电路RC震荡电路量程转换电路单片机LED显示器框图各部分说明如下：1)控制部分：本设计以单片机为核心，采用51单片机，利用其管脚的特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和LED显示功能等。LED灯：本设计中，设置了1盏电源指示灯，采用红色的LED以共阳极方式来连接，直观易懂，操作也简单。数码管显示：本设计中有1个74HC02、2个74LS573、1个2803驱动和6个数码管，采用共阳极方式连接构成动态显示部分，降低功耗。键盘：本设计中有Sr，Sc，SL三个按键，可灵活控制不同测量参数的切换，实现一键测量。2)通道选择：本设计通过单片机控制CD4052模拟开关来控制被测频率的自动选择。3)测量电路：RC震荡电路是利用555振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数频率化。通过51单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。三．系统设计1.电阻、电容、电感测试仪设计方案比较电阻、电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，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，电感可用时间常数发和同步分离法等、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前对各种方案进行了比较：（1）利用纯模拟电路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。（2）可编程逻辑控制器(PLC)应用广泛，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，因而成本过高。（3）采用CPLD或FPGA实现应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。（4）利用振荡电路与单片机结合利用555多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，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应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。综上所述，利用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，本次设计选定以单片机为核心来进行。2.硬件设计（1）电源电路MSP430F149微处理器需要3.3V电压供电，但是外部输入的电压通常不是3.3V的电压源，所以需要设计电路把外部输入电压转换为稳定的3.3V电压，系统硬件设计框图所示，采用的是AMS1117芯片，可以输出3.3V电压，然后经过滤波输出稳定的3.3V供给MSP430F149。稳压3.3V产生电路：（2）LRC测量电路上图所示，LRC各元件的测量是通过基本的RR电路，RL电路和RC电路来进行的。当探针的两端接电阻元件时，此电路就组成的是基本的RR电路；当探针的两端接电容元件时，此电路就组成的是基本的RC电路。输入的正弦波可以接频率为100HZ、1KZ和10KHZ。（3）整流滤波电路此电路采用LM324的集成运放和LC电路对LRC测试模块产生的信号进行整流滤波。因为测试电路产生的信号是正弦波，而AD采样没办法采集负信号，所以要通过电路整流滤波给后面的AD采样，电路图如图：3.软件设计（1）I/O口的分配P1.0R测量程序的选择P1.1C测量程序的选择P1.2L测量程序的选择P1.3-P1.4多路选择开关控制选择P1.0、P1.1和P1.2按键输入及测量指示灯在本设计的模块中，模块是以单片机为核心，再通过按键控制测量的被测参数在数码管显示，按键主流程图下图所示。按键主程序流程图：开始结束初始化执行键功能有无按键操？作？有无（2）主程序流程图在电阻、电容、电感测试仪的设计中，便于直观性，在数码管上显示被测参数的选择，被测参数各个灯的选择以及具体设置。通过三个按键Sr,Sc,SL来进行灵活控制，具体操作流程如下图所示。RLC测试仪的软件流程图：首先插入被测元件，开关打开以后，按下SET键，进行复位，开始初始化键扫描健分析，置状态R测试状态C测试状态L测试状态开中断定时器设置通道及指示灯的设置采值并计算显示结束NoYes然后进行按键选择，选择被测参数类别，之后单片机根据按键类别启动相应的参数测试程序，测试完毕后将结果送入数码管显示。四，测量方法1.测量电阻电路的设计定时器555是一种用途很广的集成电路，只需外接少量R、C元件，就可以构成多谐、单稳及施密特触发器。电阻的测量采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：(3-6)得出：(3-7)即：(3-8)电路分为2档：（1）100Rx1000Ω：按下电阻测试建Sr，闭合开关Srd,R2=330Ω,C2=0.22uF：(3-9)（2）1000Rx1MΩ：按下电阻测试建Sr，闭合开关Srg,R1=20KΩ,C3=103pF：(3-10)电阻测试电路：2.测量电容电路的设计电容的测量同样采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：(3-11)我们设置R1=R2,得出：(3-12)即：(3-13)电路分为1档：R4=510KΩ,R4=R6；(3-14)电容测试电路：五．总结通过对电阻、电容、电感测试仪的课程设计，锻炼了我的实际动手能力，增强了我们解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。本设计的硬件电路图简单,可降低生产成本。采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统的体积,调试和维护方便，而且以51单片机最小系统为核心的设计能够满足了整个系统的工作需求，555振荡器实现了被测电阻和被测电容参数的频率化，电容三点式振荡电路实现了被测电感参数的频率化。系统的软件部分是系统实现各种工作状态的关键。通过结合硬件电路，使用C语言与汇编语言混合编程编写了系统应用程序，使程序能够正常运行，实现了设计的要求。总之，整个系统的工作正常，完成了设计任务的全部要求。