简易LCR测量仪.doc

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。 目 录1系统方案11.1 测量方案的论证与选择11.2 LCR切换模块的论证与选择11.3 控制系统的论证与选择22系统理论分析与计算42.1 LCR值转频率的电路分析12.1.1 RC值转频率的电路12.1.2 L值转频率的电路12.2 LCR值转频率的计算12.2.1 电阻转频率的计算公式12.2.2 电容转频率的计算公式12.2.3 电感转频率的计算公式13电路与程序设计23.1电路的设计23.1.1系统总体框图23.1.2 R值转频率电路原理图23.1.3 C值转频率电路原理图23.1.4 L值转频率电路原理图23.1.5电源23.2程序的设计23.2.1程序功能描述与设计思路23.2.2程序流程图34测试方案与测试结果34.1测试方案34.2 测试条件与仪器34.3 测试结果及分析34.3.1测试结果(数据)34.3.2测试分析与结论4附录1：电路原理图5附录2：源程序6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。1.2 R,L,C切换模块的论证与选择方案一：4路模拟开关CD4066CD4066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：STM32STM32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ARM Cortex-M内核但其编程较为复杂，价格也不占优势。方案二：STC89C528位CPU4kbytes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6M12M。 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2.1 LCR值转频率电路的分析 2.1.1 RC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tPH0.693（R1+R2）C1tPL0.693R2C1振荡周期T和振荡频率f分别为T=tPH+tPL0.693（R1+2R2）C1f=1/T1/0.693（R1+2R2）C12.1.2L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，C4 C5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2.2 LCR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：Hz2.2.2电容计算公式：C= 0.00050037*（1/f）单位：电容：pf，频率：Hz2.2.3 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：3.1.2 LCR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。21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#includeLCD1602.h#include #include #include #define k 830016036sbit keyR=P25;sbit keyC=P24;sbit keyL=P23;sbit testR=P10;sbit testC=P11;sbit testL=P12;sbit R_large=P13;sbit R_small=P14;sbit C_large=P15;sbit C_small=P16;sbit counter=P34;sbit timer=P35;sbit flag=P32;sbit reset=P33;uchar idata f_display20;uchar idata display_lcd20;uint flag_rcl;uint flag_danwei;uint flag_reset;uint timer_yichu=0,counter_yichu=0;uint fenpin_rate,m,n,f_L;void init(void);void keypress(void);void cepin(void);void display(float f);void panduan(void);void main()lcd_init();init();write_string(1,0,designed by );write_string(1,1,three calves);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; void init(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;void keypress(void)while(1)if(keyR=0) testR=1; testC=0; testL=0; flag_rcl=1;else if(keyC=0)delay_ms(5);if(keyC=0) testR=0; testC=1; testL=0; flag_rcl=2;while(keyC=0);else if(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;void panduan(void)if (flag_rcl=0); if(flag_rcl=1) cepin(); else if(flag_rcl=2) cepin(); else if(flag_rcl=3) cepin(); void cepin(void)unsigned long f_test; timer_yichu=0;counter_yichu=0; TMOD=0x15; TH1=0x3c; /初始50msTL1=0xb0; TH0=0; TL0=0; TCON=0x50; while(timer_yichu!=20);TCON=0;f_test=TH0*256+counter_yichu*65536+TL0;display(f_test);void display(float f)/液晶屏显示函数float vlaue_r0;float value_r;float value_c;float value_l;clear_screen();if(f1000000.00) sprintf(f_display,Freq:%2.4fMhz,(f/1000000.00);else if(f1000.00)sprintf(f_display,Freq:%4.2fKhz,(f/1000.00); 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