簡易數(shù)字電阻、電容、電感測量儀

1、<p>　　簡易數(shù)字電阻、電容、電感測量儀</p><p>　　摘要： 本系統(tǒng)利用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149和LM311、LM334對電阻、電容和電感參數(shù)的測量。本系統(tǒng)以鋰電池自制電源作為各個主要控制芯片輸入電源，采用通過測量電阻的電壓和電容或者電感的頻率利用頻率比例計算的方法推算出電阻值、電容值或者電感值。利用MSP430F149單片機控制測量和計算結果，運用自校準電路提高測

2、量精度，同時用差壓法，消除了電源波動對結果的影響。測量結果采用12864液晶模塊實時顯示。實驗測試結果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高。</p><p>　　關鍵字： MSP430F149單片機；電阻測量；電容測量；電感測量</p><p>　　Abstact: This system uses TI's 16-bit ultra-low power microcontrolle

3、r MSP430F149 and LM311, LM334 on resistance, capacitance and inductance parameters of measurement. The self-power lithium battery system control chip as the major input power, using the voltage by measuring the resistanc

4、e and capacitance or inductance of the frequency of use of the frequency ratio method of calculating projected resistance, capacitance or inductance. MSP430F149 MCU using measurements and calculations, the use of</p&g

5、t;<p>　　Keywords: MSP430F149 Microcontroller; Resistance measurement; Capacitance measurement; Inductance measurement</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b><

6、/p><p><b>　　2 方案論證1</b></p><p>　　2.1總體方案描述1</p><p>　　2.2微處理器模塊1</p><p>　　2.3電阻測量部分1</p><p>　　2.4電容和電感部分（和電橋方案對比）1</p><p>　　2.5信號

7、調(diào)理部分1</p><p>　　2.6按鍵和液晶顯示部分1</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件、軟件的實現(xiàn)1</p><p>　　3.1硬件部分的實現(xiàn)1</p><p>　　3.1.1微處理器（MCU）電路1</p><p>　　3.1.2電阻測量模塊1</p><p>　　3.1.3

8、電容電感測量模塊1</p><p>　　3.1.4 LCD液晶顯示和按鍵模塊1</p><p>　　3.1.5信號調(diào)理模塊1</p><p>　　3.1.6電源模塊1</p><p>　　3.2軟件實現(xiàn)（軟件框圖）1</p><p><b>　　4 系統(tǒng)測試1</b></p&g

9、t;<p>　　4.1主要測試用的儀器1</p><p>　　4.2指標測試結果1</p><p><b>　　5 附錄1</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　高精度低功耗的手持數(shù)字式簡易測量設備被我們越來越多的使用到學習和生產(chǎn)當中。隨著電子

10、技術的發(fā)展，對設備的測量范圍、工作時間、穩(wěn)定度以及便攜度提出了越來越高的要求。簡易數(shù)字式電阻、電容、電感測量儀就是在這樣的一個大的前提下開發(fā)出來的。首先，本設計使用的是TI的MSP430F149單片機，其具有極低的功耗，其次我們選用其他外圍器件都是根據(jù)低功耗設計。12864液晶的顯示界面友好美觀。本系統(tǒng)的工作穩(wěn)定，測量精度高。</p><p><b>　　2 方案論證</b></p&g

11、t;<p><b>　　2.1總體方案描述</b></p><p>　　設計并制作一臺簡易數(shù)字式電阻、電容和電感參數(shù)測量儀，由測量對象、測量儀、LCD顯示和自制電源組成。系統(tǒng)模塊劃分如下圖所示： </p><p>　　圖2-1系統(tǒng)方案描述</p><p>　　圖2-2電源方案描述</p><p><b

12、>　　2.2微處理器模塊</b></p><p>　　方案一：使用C8051F040</p><p>　　使用C8051F040單片機作為系統(tǒng)的控制核心。單片機具有體積小，片上資源豐富，使用靈活，易于人機對話，有較強的指令尋址和運算功能等優(yōu)點，但是該單片機體積較大，功耗較高。</p><p>　　方案二：使用MSP430F149</p>

13、<p>　　使用MSP430F149單片機作為系統(tǒng)的控制核心。MSP430F149具有體積小，片上資源豐富和I/O口多可復用的優(yōu)點，最重要的是MSP430F149具有超低的功耗，這是其他控制器不可比擬的優(yōu)勢。</p><p>　　在此系統(tǒng)中，我們經(jīng)過細致的思考，最終選擇了MSP430F149作為整個控制系統(tǒng)的控制核心，其一是它比C8051F040更適合出現(xiàn)在此系統(tǒng)中，但最重要的一點是MSP430F1

14、49比C8051F040具有更低的功耗，符合我們的設計初衷，所以我們選擇了方案二。</p><p><b>　　2.3電阻測量部分</b></p><p>　　方案一：交流電橋測量法</p><p>　　交流電橋的構造及原理均與直流惠斯通電橋相同，電源使用交流電，四臂的阻抗Z1、Z2、Z3、Z4，可以用電阻、電感、電容或其他組合，電橋平衡的條件

15、是</p><p><b>　?。?.3.1）</b></p><p>　　此條件顯示交流電橋不同于直流電橋：首先條件有兩個，因此，需要調(diào)節(jié)兩個參數(shù)才能使電橋平衡；其次，阻抗的多樣性可以組合成各具特色的電橋，但非所有電橋都能同時滿足達到平衡的條件。</p><p>　　方案二：LM334恒流源測量法</p><p>　　

16、該方法是給待測電阻提供一個恒定電流，利用單片機的AD采集其兩端的電壓來確定其電阻值。此種方法簡單易行，但是由于電阻變化范圍是10Ω~10MΩ，電壓變化范圍太大，而單片機AD 輸入范圍有限，所以至少需要六個擋才能實現(xiàn)要求的指標。</p><p>　　方案三：使用VFC32壓頻變換法</p><p>　　該方法的基本原理是將電阻的變化變成0~10V電壓的變化，然后控制壓頻變換芯片產(chǎn)生線性變化的

17、頻率值，單片機通過采集頻率值來計算電阻大小。該方法電路簡單，頻率穩(wěn)定，只需要兩個檔位即可完成要求范圍內(nèi)電阻值的測量。</p><p>　　經(jīng)過討論，我們選擇了方案三作為我們測量電阻的方案。</p><p>　　2.4電容和電感部分（和電橋方案對比）</p><p>　　方案一：臺式數(shù)字萬用中的L、C的測量</p><p>　　L、C的數(shù)字化測

18、量方法，首先利用正弦信號在被測阻抗的兩端產(chǎn)生交流電壓，然后通過實部和虛部的分離，最后利用電壓的數(shù)字化測量來實現(xiàn)。</p><p>　　圖2-2 電感—電壓變換器</p><p>　　考慮到電容器常用的等效電路形式，電容—電壓變換時，電容采取并聯(lián)形式。</p><p>　　圖2.3所示為它的阻抗電流變換部分。</p><p>　　圖2-3 電容

19、—電壓變換器</p><p>　　方案二：LM311組成的LC震蕩器</p><p>　　本機的核心電路是一個由LM311組成的LC震蕩器。測量的原理是由單片機</p><p>　　測量LC震蕩回路的頻率，然后再依據(jù)震蕩頻率計算出對應的電容或電感量。為了提高測量的精度，本機采用了以一個已知的標準電容 為基準，測量振蕩器頻率再計算電感電容的方法。 由一個1000pF的

20、聚苯乙烯電容和一個20pF的瓷介電容并聯(lián)而成，精度為0.5%，當 未接入電路時，由 組成的振蕩器的頻率</p><p>　　（2.4.1） </p><p>　　然后將C2與C1并聯(lián)，這時由L_1和C1+C2組成的振蕩器的頻率</p><p><b>　　（2.4.2）</b></p><p>　　將以上兩式變

21、換整理后可得</p><p><b>　?。?.4.3）</b></p><p><b>　　和</b></p><p><b>　?。?.4.4）</b></p><p>　　可以看出 和 是基于已知標準電容 和兩次測量的頻率 和 計算出來的，因此其準確性主要取決于標準電容的

22、精度。測算出 、 和 之后，再用待測電容 代替 接入回路中，測出由 和C1+Cx組成的振蕩器的頻率 ，由公式 就可以求出Cx，同理也可以用公式Lx=( 測出Lx。</p><p>　　綜合我們的考慮，方案二的精度和可操作性是值得肯定的，所以我們選側第二個方案來作為我們的核心測量方案。</p><p><b>　　2.5信號調(diào)理部分</b></p>

23、<p>　　方案一：使用單片機的資源捕捉</p><p>　　此種方法外圍電路十分簡單，但誤差較大，由于本測量系統(tǒng)要求精度高所以這種方法需要改進。</p><p><b>　　方案二：外加計數(shù)器</b></p><p>　　這樣做雖然外圍電路麻煩了一些，但保證了測量精度，所以增加計時器是行的通的。</p><p&g

24、t;　　在系統(tǒng)中需要采集LC震蕩的頻率，從而確定電容電感的容值和感值，其精度是有較高要求的，所以我們選擇方案二。</p><p>　　圖2-4計數(shù)器原理圖</p><p>　　2.6按鍵和液晶顯示部分</p><p>　　方案一：采用數(shù)碼管顯示。</p><p>　　其優(yōu)點是元件價格便宜，而且外圍的電路簡單。但是掃描占用大量的I/O口資源，從

25、而增大了單片機的運算開銷，顯示信息也不豐富，最重要的是功耗太大。</p><p>　　方案三：采用LCD1602液晶顯示</p><p>　　其優(yōu)點是顯示方便，使用方便靈活，占用I/O口少，不需要循環(huán)掃描，節(jié)省了大量的程序開銷，但是其顯示內(nèi)容比較單一，所以放棄此方案。</p><p>　　方案二：采用12864LCD液晶顯示</p><p>

26、　　其優(yōu)點是顯示信息非常豐富，可以很形象的顯示設計者的所想，方便使用者使用，占用I/O口少，不需要循環(huán)掃描，節(jié)省了大量的程序開銷。 </p><p>　　鑒于本系統(tǒng)的設計要求和擴展要求，我們采用LCD12864液晶作為我們的顯示模塊，用自制的獨立式鍵盤作為數(shù)據(jù)的輸入部分，這樣設計的初衷是減少IO口的使用，便于其他的外圍設備并于系統(tǒng)。</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件、軟件的實現(xiàn)</p

27、><p>　　3.1硬件部分的實現(xiàn)</p><p>　　3.1.1微處理器（MCU）電路</p><p>　　本作品使用的MSP430F149單片機最小系統(tǒng)電路圖3.1</p><p>　　圖3-1 MSP430F149單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　3.1.2電阻測量模塊</p><p>　　

28、圖3-2電源模塊原理圖</p><p>　　3.1.3電容電感測量模塊</p><p>　　圖3-3電容電感測試原理圖</p><p>　　3.1.4 LCD液晶顯示和按鍵模塊</p><p>　　圖3-4 按鍵原理圖</p><p>　　3.1.5信號調(diào)理模塊</p><p>　　圖3-6計

29、數(shù)器原理圖</p><p><b>　　3.1.6電源模塊</b></p><p>　　圖3-7 電源管理模塊</p><p>　　3.2軟件實現(xiàn)（軟件框圖）</p><p>　　圖3-8 程序流程圖</p><p>　　圖3-9 系統(tǒng)中斷流程</p><p><b&

30、gt;　　4 系統(tǒng)測試</b></p><p>　　4.1主要測試用的儀器</p><p>　?。?）TDS1002數(shù)字示波器</p><p>　?。?）MFG-8250A波形發(fā)生器</p><p>　?。?）UT39A數(shù)字萬用表</p><p>　　（4）TH2820型電橋</p><

31、p><b>　　4.2指標測試結果</b></p><p><b>　　電容檔</b></p><p><b>　　電感檔</b></p><p><b>　　電阻檔</b></p><p><b>　　5 附錄</b><

32、/p><p><b>　　附錄一：總原理圖</b></p><p><b>　　圖5-1總原理圖</b></p><p><b>　　附錄二：實物圖</b></p><p>　　圖5-2 作品實物圖</p><p><b>　　參考文獻</b

33、></p><p>　　[1]高吉祥，唐朝京．全國大學生電子設計競賽培訓系列教程[M].電子工業(yè)出版社</p><p>　　[2]秦龍 .MSP430單片機常用模塊與綜合系統(tǒng)實例精講一種數(shù)字金屬探測器的設計[M]. 電子工業(yè)出版社</p><p>　　[3]康華光.電子技術基礎模擬部分[J].高等教育出版社</p><p>　　[4]張