基于ATmega128L单片机的数字式RLC测量仪毕业论文.doc

基于基于 ATmega128LATmega128L 单片机的单片机的 数字式数字式 RLCRLC 测量仪毕业论文测量仪毕业论文 目录 1 引言引言 1 2 任务介绍与方案论证任务介绍与方案论证 1 2 1 任务介绍 1 2 2 设计方案介绍 1 2 2 1 电阻测量方案选择 1 2 2 2 电容测量方案选择 2 2 2 3 电感测量方案选择 3 2 2 4 单片机方案选择 3 2 2 5 显示模块方案选择 3 2 2 6 量程切换模块方案的选择 4 3 主要器件介绍主要器件介绍 4 3 1 ATMEGA128L 单片机的介绍 4 3 2 液晶显示模块介绍 5 3 3 ADVFC32 压频简介 6 3 4 OP07 芯片的简介 7 3 5 555 电路的结构组成和工作原理 7 3 6 OPA820 芯片介绍 8 3 7 TLV3502 芯片介绍 8 4 硬件电路介绍硬件电路介绍 9 4 1 测量仪的系统框架 9 4 2 ATMEGA128L 单片机电路图的设计 9 4 3 测量电路的设计 10 4 3 1 电阻测量电路设计 10 4 3 2 电容测量电路设计 12 4 3 3 电感测量电路设计 12 4 4 继电器自动换挡电路 13 4 5 电源设计电路 14 4 6 键盘电路 15 5 系统软件设计系统软件设计 16 5 1 软件整体设计 16 5 2 测量模式程序设计 17 6 系统调试系统调试 18 6 1 硬件调试 18 6 2 软件调试 18 6 3 系统测试数据 18 6 3 1 测试仪器 18 6 3 2 电阻测试数据 19 6 3 3 电容测试数据 19 6 3 4 电感测试数据 20 6 4 误差分析 20 7 结束语结束语 20 致谢致谢 21 参考文献参考文献 22 附录附录 23 附录 A 作品实物图 23 附录 B 主程序 24 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 0 1 引言引言 目前 单片机技术 1 在智能化测量仪表 2 中得到了越来越广泛的应用 利用单片 机可以实现测量仪表的自动化和智能化 并能进行数据分析和处理以达到仪表的高 精度和高可靠性 RLC 测量仪是一种自动测量电阻 R 电感 L 电容 C 等参数的测 量仪器 高精度测量 RLC 参数技术可广泛用于电阻 电容 电感元件的筛选 还可 以用于电路板分立元件的参数测量与分析 本文设计的 RLC 测量仪是将电子元件的参数通过测量电路转换成频率的值 再 通过单片机计算处理输出显示在液晶上 利用继电器实现测量仪的自动切换测量 经过软件设计实现测量仪的测量功能 与传统的测量仪器相比 该 RLC 测量仪有操 作方便 测量精度高 测量范围广 测量智能化等优点 具有很大的实用性和推广 意义 2 任务介绍与方案论证任务介绍与方案论证 2 1 任务介绍任务介绍 任务要求有 1 本系统要求实现 RLC 智能化测量 通过单片机控制继电器实现自动选择测 量 自动切换测量量程 2 要求友好的人机交流界面 运用 12864 液晶显示和 4 4 矩阵键盘使显示界面 友好操控 简洁方便 3 电阻测量的要求范围为 100 1M 精度为 5 电容测量要求范围为 100pF 10uF 精度为 5 电感测量要求范围为 100 H 10mH 精度为 5 2 2设计方案介绍设计方案介绍 2 2 1 电阻测量方案选择电阻测量方案选择 方案一 利用 RC 充电原理测电阻 其利用 RC 充电的原理测量电阻 首先我 们选定参考电容 由 RC 充电公式 3 RC 2 1 可知 只要知道 RC 电路充电的时间就可以测量被测电阻 此方案在测量阻值 比较小的电阻时其阻容时间常数也比较小 微小的时间使得单片机难以处理 计算 玉林师范学院本科生毕业设计 1 也比较繁琐 当阻值较大时电阻阻值的时间常数的线性度很差 其计算的结果误差 也很大 所以使得电阻测量的范围很小 方案二 电阻分压法 该方案易于实现且原理比较简单 从理论上说只要给定精 确的参考电阻 就能够以基准电阻测量任何大小的电阻阻值 在测量中被测电阻分 压的电压值通过伏频转换芯片 ADVFC32 把电压转换频率送往单片机计数 这样使 得测量过程比较方便 其结果比较精确 测量的范围也比较广 R0 Rx F O 7 G N D 11 C M PR IN 10 IN 1 IN 14 V O 13 N C 2 C O S 5 V 4 V 12 N C 6 N C 3 N C 8 N C 9 U V F C 32K P fxUx U0 GND 10V 图图 2 1 电阻分压测量电阻电路电阻分压测量电阻电路 Figure 2 1 The resistor voltage divider resistance measurement circuit 如图 2 1 用稳定的电源 Vcc 把基准电阻 R0与被测电阻 RX串联在电路中 由于 串联电路电阻有分压的作用 根据电路电阻分压的公式 3 2 2 0 0 U RR R U X X X 与已知的参考电阻就可以测量出阻值 X R 方案三 伏安法 4 它的测量原理来源于阻抗的定义 即若已知流经被测阻抗 的电流相量并测得被测阻抗两端的电压 通过比率便可得到被测阻抗的相量 显然 要实现这种方法 仪器必须能进行相量测量及除法运算 综合考虑以上方案 本设计采用方案二 用电阻分压法测量电阻 2 2 2 电容测量方案选择电容测量方案选择 方案一 利用 脉冲计数法 原理 通过采用 RC 与 NE555 定时器组成的多谐 振荡电路 固定准确的参考电阻 然后通过测量振荡输出的频率就可以测出电容的 电容值大小 此方案硬件电路结构简单容易实现 而且测量的电容容值范围也比较 广 同时该多谐振荡电路输出是频率的值 单片机可以对其输出频率直接进行计数 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 2 方案二 电桥法 5 具有较高的测量精度 被广泛采用 现已派生出许多类型 但电桥法测量需要反复进行平衡调节 测量时间长 很难实现快速的自动测量 综合考虑以上方案 本设计采用方案一 用 NE555 构建 RC 多谐振荡电路测量 电容 2 2 3 电感测量方案选择电感测量方案选择 方案一 利用电桥平衡法测量电感 6 用待测电感和已知标准电阻 电容组成电 桥 单片机调节电阻参数使电桥平衡 此时 电感的大小由电阻和电桥的本征频率 即可求得 然后由电桥的计算公式求出被测电感 该方案测量的电感比较准确 但 该方案电路复杂 实现起来比较困难 方案二 采用电容三点式振荡电路来实现 7 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 称为电容三点式电路 该 电路测量简单 方便 准确度高 综合考虑以上方案 本设计采用方案二 LC 和三极管构成三点式振荡电路测电 感 2 2 4 单片机方案选择单片机方案选择 方案一 采用 FPGA 作为系统控制器 FPGA 功能强大 可实现各种复杂的逻 辑功能 规模大 密度高 它将所有器件集成在一块芯片上 可以减少体积 提高 稳定性 并且可用 EDA 软件仿真 8 调试 易于进行功能扩展 但成本高 由于本 设计对数据的处理速度本不高 FPGA 的高速处理优势得不到充分体现 且硬件电 路复杂 方案二 采用 AT89S52 单片机 9 作为控制器 该单片机算术运算功能较强 软 件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现各种算法和逻辑功能 本身带有定时 计 数器 可以用来定时 计数 并且具有功耗低 体积小 技术成熟和成本低等优点 但是测量频率只有 500k 达不到系统对频率测量的要求 方案三 采用ATmega128L单片机作为系统的主控单片机 10 ATmega128L单片 机速度快 系统运行非常稳定 它能够测量频率在2M以内的方波脉冲 满足了本系 统对频率测量的要求 同时该单片机算术运算功能强大 编程采用的是精简指令集 玉林师范学院本科生毕业设计 3 低功耗 而且I O口的电流也能够直接驱动继电器 综合考虑以上方案 本设计采用方案三 用 ATmega128L 单片机做控制器 2 2 5 显示模块方案选择显示模块方案选择 方案一 采用数码管显示 数码管具有寿命长 耐老化 对外界环境要求低等 优点 但LED八度数码管引脚排列不规则 动态显示时要加驱动电路 硬件电路复 杂 方案二 采用带有字库的12864液晶显示屏 12864液晶显示屏 LCD 具有功 耗低 轻薄短小无辐射危险 平面显示及影像稳定 不闪烁 可视面积大 画面效 果好 抗干扰能力强等优点 同时 12864带有字库 编程容易 且具有多种功能 光标显示 画面移位 睡眠模式 增加可读性 降低功耗 综合考虑以上方案 本设计采用方案二 用 12864 液晶显示 2 2 6 量程切换模块方案的选择量程切换模块方案的选择 方案一 采用拨码开关进行量程切换 拨码开关体积小 使用简单 但是必须 采用手动才能进行量程切换 不能自动切换量程 测量时显得比较麻烦 方案二 采用 HRS1H S DC5V 继电器作为量程切换模块 该继电器体积较小 使用简单 ATmega128L 单片机能够直接驱动 不需要再加三极管进行电流放大 实现了自动切换量程 综合考虑以上方案 为了能够实现自动测量 设计选择方案二 采用继电器作 为量程切换模块 3主要器件介绍主要器件介绍 3 1 ATmega128L单片机的介绍单片机的介绍 ATmega128L单片机引脚如图3 1所示 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 4 图图 3 1 ATmega128L 引脚图引脚图 Figure3 1 The ATmega128L Pin Figure ATmega128L 11 8位微控制器是ATMEL推出的AVR单片机中的高档产品 具有 高速低功耗 超强功能 精简指令的特点 能够同时读 写 在执行指令的同时 通过SPI UART或两线接口对快闪存储器进行编程或重新编程 AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器 所有的寄存器都直接与算 术逻辑单元 ALU 相连接 使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立 的寄存器 这种结构大大提高了代码效率 并且具有比普通的复杂指令集微处理器 高10倍的数据吞吐率 ATmega128L具有如下特点 128K字节的系统内可编程Flash 具有在写的过程 中还可以读的能力 即RWW 4K字节的EEPROM 4K字节的SRAM 53个通用I O 口线 32个通用工作寄存器 实时时钟RTC 4个灵活的具有比较模式和PWM功能 的定时器计数器 T C 两个USART 面向字节的两线接口TWI 8通道10位ADC 具有可选的可编程增益 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器 SPI串行端口 与IEEE1149 1规范兼容的JTAG测试接口 此接口同时还可以用于片上调试 以及六 种可以通过软件选择的省电模式 空闲模式时CPU停止工作 而SRAM T C SPI 端口以及中断系统继续工作 掉电模式时晶体振荡器停止振荡 所有功能除了中断 和硬件复位之外都停止工作 寄存器的内容则一直保持 省电模式时异步定时器继 续运行 以允许用户维持时间基准 器件的其他部分则处于睡眠状态 ADC噪声抑 制模式时CPU和所有的I O模块停止运行 而异步定时器和ADC继续工作 以减少 ADC转换时的开关噪声 Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠 使得器件只消 玉林师范学院本科生毕业设计 5 耗极少的电流 同时具有快速启动能力 扩展Standby模式则允许振荡器和异步定时 器继续工作 3 2液晶显示模块介绍液晶显示模块介绍 12864液晶显示模块是128 64点阵的汉字图形型液晶显示模块 可显示汉字及图 形 该系统所用的12864液晶使用ST7920控制器 5V电压驱动 带背光 内置8192 个16 16点阵 128个字符及64 256点阵显示RAM 带中文字库的LCD12864每屏可 显示4行8列共32个16 16点阵的汉字 每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16 8 点阵ASCII码字符 即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示 与 外部CPU接口采用并行的控制方式 利用12864显示模块灵活的接口方式和简单 方 便的操作指令 可构成全中文人机交互图形界面 表3 1为该模块管脚使用的说明 表表3 1 12864LCD管脚功能管脚功能 Table 3 1 12864 LCD tube foot function 名称型态电平功能描述 VccI 模块电源输入 GNDI 模块电源输入 V0I 电源地 VeeI 对比度调节 PSBIH L液晶驱动电压输入 RSTIH L并口 串口选择 H 并口 L 串口 RSIH L寄存器选择 H 数据 L 指令 R WIH L读写选择 H 读 L 写 ENIH L使能信号 DB0 DB3I OH L数据总线低四位 DB4 DB7I OH L数据总线高四位 LEDAI背光正 LEDKI背光负 3 3 ADVFC32压频简介压频简介 图 3 2 a 所示为 ADVFC32 芯片的管脚图 ADVFC32 是一种电压 频率转换器和 频率 电压转换器的综合器件 具有良好的线性度 满度时的频率范围为 0 500KHz 输入正电压或者负电压就可以转换输出相应比例的频率 这个过程只需 要很少的外围电路就可以完成 用相同的外围电路亦可以完成频率到电压的转换 加入一个简单的偏置网络就可以调节输入逻辑电平的范围 ADVFC32 工作于电压 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 6 频率转换器模式时 该芯片的基本外围电路连接方法如图 3 2 b a b 图图 3 2 ADVFC32 管脚图和外围电路管脚图和外围电路 Figure 3 2 feet ADVFC32 tube map and peripheral circuit 3 4 OP07 芯片的简介芯片的简介 OP07 芯片是一种低噪声 非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路 由于 OP07 具有非常低的输入失调电压 OP07A 最大为 25 V 所以 OP07 在很多应用场 合不需要额外的调零措施 OP07 同时具有输入偏置电流低 OP07A 为 2nA 和开 环增益高 OP07A 为 300V mV 的特点 这种低失调 高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面 管脚图如图 3 3 所示 图图 3 3 OP07 管脚图管脚图 Figure 3 3 feet 0P07 tube map 3 5 555 电路的结构组成和工作原理电路的结构组成和工作原理 NE555 集成电路开始是作定时器应用的 所以叫做 555 定时器 但后来经过开 发 还可用于调光 调温 调压 调速等多种控制及计量检测 此外 还可以组成 脉冲振荡 单稳 双稳和脉冲调制电路 用于交流信号源 电源变换 频率变换 玉林师范学院本科生毕业设计 7 脉冲调制等 由于它工作可靠 使用方便 价格低廉 目前被广泛用于各种电子产 品中 555 集成电路内部有几十个元器件 有分压器 比较器 基本 R S 触发器 放电管以及缓冲器等 电路比较复杂 是模拟电路和数字电路的混合体 电路组成 及其引脚如图 3 4 图图 3 4 电路组成及其引脚电路组成及其引脚 Figure 3 4 The circuit components and pin 3 6 OPA820 芯片介绍芯片介绍 OPA820 为常见的运算放大器 单位增益稳定 OPA820 的输入失调电压 噪声 等指标都很小 适合放大小信号 运算放大器一般可简单地视为 具有一个信号输 出端口 out 和同相 反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元 因 此可采用运放制作同相 反相及差分放大器 OPA820 的管脚图如 3 5 所示 图图 3 5 OPA820 芯片管脚芯片管脚 Figure 3 5 The OPA820 chip pins 3 7 TLV3502 芯片介绍芯片介绍 TLV3502 为双通道高速比较器 功能快速 在 4 5 ns 可以完成传播延迟和操作 过程 本设计的作品的电源电压分别为 V 5v V 5v 该比较器输入 几乎没有 噪音豁免的范围内 指定的偏移电压 5 mv 对于缓慢移动或嘈杂的输入信号 多 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 8 个开关作为输入信号 通过比较开关阈值 比较器输出高或低电平 在这样的应用 程序 6 mv 的内部磁滞的 TLV3502 可能是不充分的 在某些情况下更大的噪音免 疫力 是理想的 管脚图如 3 6 所示 图图 3 6 TLV3502 芯片管脚芯片管脚 Figure 3 6 The TLV3502 chip pins 4硬件电路介绍硬件电路介绍 4 1测量仪的系统框架测量仪的系统框架 本设计的原理框架如下图 4 1 所示 系统以 ATmega128L 单片机为控制核心 用 RLC 测量电路 继电器自动换挡电路和 12864 液晶显示电路实现了对电阻 电感 电容的测量 玉林师范学院本科生毕业设计 9 图图 4 1 系统原理框图系统原理框图 Figure 4 1 The system principle diagram 4 2 ATmega128L单片机电路图的设计单片机电路图的设计 图 4 2 中 主要包括 ATmega128L 单片机 JTAG 下载电路 ISP 下载电路 复 位电路 时钟电路 液晶显示电路 独立按键电路 流水灯电路等 使用 ICCAVR 软件对 ATmega128L 单片机进行编程操作 实现频率测量 量程切换 控制 12864 液晶屏等功能 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 10 图图4 2 ATmega128L单片机电路图单片机电路图 Figure4 2 The circuit diagram of ATmega128L MCU 4 3测量电路的设计测量电路的设计 4 3 1电阻测量电路设计电阻测量电路设计 由于电阻范围较广 常用电阻的范围是 1 10M 所以采用电阻分压法测量 电阻的时候需要分为多个测量量程 每个测量量程都用一个合适的精密电阻作为参 考电阻 为提高测量精度 电阻测量电路中使用了 ADVFC32 伏频转换芯片 利用 精密电阻搭成的电阻网络将被测电阻阻值的变化量分为 0 9 V 的电压变化 该电压 经过运算放大器 OP07 跟随后接入 ADVFC32 的电压控制端 ADVFC32 会输出一个 频率随输入电压线性变化的脉冲波 脉冲波频率的范围是 0 38 KHz 最后通过 单片机的计数器计算出具体频率值 根据 ADVFC32 的输入电压和输出频率之间的 线性关系 还有精密电阻的分压比就可以求出待测电阻的阻值 玉林师范学院本科生毕业设计 11 图图 4 3 电阻测量原理图电阻测量原理图 Figure 4 3 The resistance measurement principle diagram 图 4 3 所示电路为电阻测量原理图 由原理图可以看出 被测电阻 RRX和已知 电阻 RRB是串联关系 当 RRX发生改变时 RRX两端电压就会发生变化 然而实 x U 际电路中我们要把经过 OP07 运算放大器跟随后再输入到压频变换芯片 x U ADVFC32 的电压控制端 然后 ADVFC32 频率输出端会产生频率与输入电压呈 x f 线性关系的方波脉冲 可以通过频率计数器和单片机得到 相关计算如下 12 x f 4 1 0 0 U RR R U x x x x x x UU RU R 0 0 其中是已知电压 0 UVU10 0 4 2 3800010 xx fU 38000 10 x x f U 其中 10 是 ADVFC32 电压控制端的电压满刻度值 38000 是满电压值对应的输 出频率满刻度值 由 4 1 式和 4 2 式可知 只要知道 便可以求出被测电 x f 阻的值 x R 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 12 4 3 2电容测量电路设计电容测量电路设计 由一个555电路构成的多谐振荡器电路 其振荡周期为 13 4 3 CRRTTT 2 2 ln 2121 图4 4中 RC1与RC2 RC3与RC4 RC5与RC6 RC7与RC8的阻值相等 分别组成四 个不同的量程 单片机控制继电器选择不同的电阻配对 可得到不同的量程 再将 多谐振荡器的输出波形接到单片机的频率测量端口 就能够测量出振荡器的输出波 形的频率 通过式 4 4 CR f 1 2 ln3 1 可以计算出待测电容值 图图 4 4 电容测量电路原理图电容测量电路原理图 Figure 4 4 The capacitance measurement circuit principle diagram 4 3 3电感测量电路设计电感测量电路设计 由电容和电感构成电容三点式振荡器 而振荡频率只和电容值和电感值有关 它们之间的关系为 14 玉林师范学院本科生毕业设计 13 LC F 2 1 利用这个公式 只须令C已知 通过测量F就可以求出L的值 如图4 5所示 在 电容三点式振荡器中 C1 C2 分别采用1000pF和1000pF的独石电容 其电容值远 远大于晶体管极间电容 所以极间电容可以忽略 电路的稳定性主要取决于电容 在此电路中采用性能较好的独石电容 这样使得电路的误差精度可以保持在5 以内 由标称元件和对应的待测元件组成的振荡回路会振荡出频率稳定的正弦波 该正弦 波经过放大器OPA820和比较器TLV3502之后会产生相应频率的方波脉冲 接下来通 过ATmega128L单片机测频就可以实现对电感元件的测量 图图 4 5 电感测量电路原理图电感测量电路原理图 Figure 4 5 The inductance measurement circuit principle diagram 4 4 继电器自动换挡电路继电器自动换挡电路 本系统中采用 HRS1H S DC5V 继电器作为量程切换模块 该继电器体积较小 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 14 使用简单 ATmega128L 单片机能够直接驱动 不需要再加三极管进行电流放大 能实现自动切换量程的功能 该原理图由 14 个继电器组成 3 个继电器进行电阻的 自动换挡测量 8 个对电容进行自动换挡测量 余下的对电子元件类型进行自动换 挡测量 继电器的原理是当单片机给一个高电平时 继电器闭合 这时继电器就相 当于导线 当为低电平时 继电器处于断开状态 图图4 6 继电器自动换挡电路继电器自动换挡电路 Figure 4 6 The relay automatic shift circuit 4 5电源设计电路电源设计电路 本系统中用到的电源共有 5V 12V 选择了线性三端稳压芯片 7805 7905 7812 7912 来构成电源电路核心 首先通过一个变压器将 220V 市电变成 18V 的交流电 经过整流桥和滤波电容之后 分别通过稳压芯片就得到了需要的 4 路电压 在稳压芯片之后的电路中还需要加电容电感来构成滤波电路 15 这个滤波 电路很重要 必须将输出的直流电压中交流纹波滤除到 8mV 以下才能保证运算放大 玉林师范学院本科生毕业设计 15 器和其他模拟芯片的正常工作 其次 焊接和布线对电源质量也有很大关系 焊接 导线时需保持焊点光滑 不能有毛刺 特别是稳压芯片管脚上的焊点 有时候焊点 的毛刺会带来很大的纹波干扰 16 布线时 尽量避免粗导线交叉 不同电源之间的 导线应留有一定距离 尽量将线间干扰降到最低 图图 4 7 系统电源的电路图系统电源的电路图 Figure 4 7 The system of power supply circuit diagram 4 6键盘电路键盘电路 键盘电路原理图如图4 8所示 键盘电路是一个很典型的 4 4 矩阵键盘电路 利用键盘对电子元件类型进行换挡测量 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 16 图图4 8 键盘电路原理图键盘电路原理图 Figure 4 8 The keyboard circuit principle diagram 5系统软件设计系统软件设计 5 1软件整体设计软件整体设计 本系统程序设计主要包括按键扫描 系统测量 液晶显示等 其主流程图如图5 1 所示 开始 按键扫描 是否有按键值 进入测量模 式进行测量 进入待测模 式进行等待 LCD 显示 N h 是 Y 图图5 1 程序主流程图程序主流程图 Figure 5 1 The program ZhuLiuCheng figure 玉林师范学院本科生毕业设计 17 通电时 先对单片机及液晶进行初始化 然后进入键盘扫描状态并判断键盘是 否有输入值及键盘输入值是多少 并根据输入值进入测量模式或是待测模式 进入 模式后 经过程序运算后把相应的信息送往液晶显示并返回键盘扫描状态 5 2测量模式程序设计测量模式程序设计 测量模式程序流程如下图5 2 测量模式输入 液晶显示 电感模式 电感测量 电容测量 电容模式 电阻测量 电阻模式 模式值变化 启动继电器 图图5 2 测量模式程序流程图测量模式程序流程图 Figure 5 2 The measurement model program flow chart 当程序进入测量模式时 首先判断按键按下的档位值 即选择测量电阻 电容 电感的档位 然后根据不同的档位值通过继电器自动切换到相应的档位上 在电 阻和电容测量电路中为提高测量精度都设有多个不同的测量量程 测量时 单片机 会根据输出的频率值大小启动继电器切换到不同的测量量程进行测量 最后把测量 的频率值和换算的电子元件值送往12864液晶屏上显示 电感测量时 不需要进行量 程换挡 单片机直接根据电感测量电路输出的频率进行计数 再通过公式进行软件 调试 最后把数据输出显示在液晶上 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 18 6系统调试系统调试 6 1 硬件调试硬件调试 本设计的硬件电路由电源电路 单片机控制电路 液晶显示电路 键盘输入电 路 继电器驱动电路 测量电路组成 在硬件调试中采用了分模块调式方法进行调 试 电源模块调试 首先检查电源模块是否有短路 是否有接错现象 确认正确后 再上电 再用万用表测其输出是否正常 单片机控制电路调试 测试单片机时先下载一个简单的流水灯程序 观察单片 机的 I O 口是否正常 最好是测一下 I O 口的输出电压是多少 如果少于 3 5v 可能 就驱动不了继电器 正常的 I O 口的输出电压应该在 4 3v 5v 之间 液晶显示电路调试 如果单片机控制电路正常 然后给显示电路上电 接着下 载一个简单的液晶显示例程 若液晶能正常显示 则该模块可以正常使用 键盘输入调试 下载一个简单的键盘例程到单片机 观察按键输入和显示的情 况就可以知道键盘是否正常 继电器驱动模块调式 用单片机给继电器输入一个 1HZ 的方波频率 是否听到 继电器有闭合的响声 如果能听见 吱吱吱吱 的声音 说明继电器良好 测量电路模块调试 首先固定一个档位和量程 在没有接被测元件时 用示波 器检测输出端是否有信号频率输出 如果没有再接上电子元件检查是否有方波信号 输出 如果有信号输出就说明调试成功 然后再换到另一个量程测试 依次类推下 去 6 2 软件调试软件调试 在软件调式中直接将程序下载入单片机进行分模块调试 首先调试液晶显示模 块 接着调试按键扫描程序 观察是否出现 3 种测量模式 电阻测量 电容测量 电感测量 最后调试验证是否有频率输出显示在液晶上 如果有 根据增大或减少 频率值调试自动换挡程序 如果正常就调试频率转换程序 如果上述调试都成功 那本设计的软件调试就成功完成了 6 3 系统测试数据系统测试数据 6 3 1 测试仪器测试仪器 玉林师范学院本科生毕业设计 19 数字万用表 GDM 8248 双踪数字示波器 GDS 2202 直流稳压电源 DF1731SLL3A 双踪模拟示波器 GOS 6103C 数字电桥 型号 HF2817 6 3 2 电阻测试数据电阻测试数据 表 6 1 所示数据是通过标准数字电桥测量的电阻值与本系统测量的电阻值对比 表表 6 1 电阻测试数据电阻测试数据 Table 6 1 The resistance test data 待测电阻值 标称 本系统测量值 电桥测量值 误差 1010 1010 111 0 11 10099 9199 88 0 03 300293 12295 9 0 94 1K1 03K1 002K 0 90 51K51 95K51 63K 0 68 110K107 963K109 74K 1 62 665K671K662 6K 1 27 820K823K828 4K 0 65 1M1 0150M1 02M 0 50 10M10 30M10 26M 0 39 6 3 3 电容测试数据电容测试数据 表 6 2 所示数据是通过标准数字电桥测量的电容值与本系统测量的电容值的比 较 表表 6 2 电容测试数据电容测试数据 Table 6 2 The capacitance test data 待测电容值 标称 F本系统测量值 F电桥测量值 F误差 100p110 61p114p 2 97 560p546 39p551p 0 84 3 3n3 61 n3 65n 1 10 100n95 97n95 5n 0 15 100n96 818n95 5n 1 01 560n551 69n557 4n 1 02 1u0 97u0 98u 1 02 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 20 10u9 99u9 71 2 88 47u46 5u45 4u 2 42 100u95 99u97 2u 1 24 6 3 4 电感测试数据电感测试数据 表 6 3 所示数据是通过标准数字电桥测量的电感值与本系统测量的电感值的对 比 表表 6 3 电感测试数据电感测试数据 Table 6 3 The inductance test data 6 4误差分析误差分析 系统误差来源比较多 比如电源的稳定性 环境温度的变化 运放的漂移 电 路板的焊接 以及测试电路中标准元件的精确度等 但是 主要误差是电源质量和 标准元件的精度造成的 为了克服这个问题 就要采取多种措施来减小误差 本系 统中采用的方法是多次测量求平均值来减小误差 然后在软件中加入修正值 经过 求平均值后 系统的误差得到有效的降低 7结束语结束语 该测量仪具有功能强 性能可靠 电路简单 测量方便等特点 加上自行设计 待测电感值 标称 H 本系统测量值 H电桥测量值 H误差 10u10 52 u10 284 u 2 29 33u34 50u33 78 u 2 13 100 u101 68 u98 38 u 3 35 270u277 0279 23 0 80 470 u468 45 u467 23u 0 26 570 u566 86 u588 5 u 3 68 1m1 00273m1 0496m 4 46 3m3 134m3 099m 1 13 4 8m4 97675m4 957m 0 40 8 6m8 64m8 61m 0 35 玉林师范学院本科生毕业设计 21 的浮点数的运算 累计频率功能等 使它可方便地扩展其他功能 如频率计 量程 自动转换等功能又使这个测量仪表具有较高的智能化水平 本文设计的这种把元件 参数转换成频率后测量的方法也有不足之处 主要是必须保证电路起振 并且振荡 要稳定 否则会增加误差 这也是今后需进一步完善的地方 致谢致谢 经过近三个月时间的努力 毕业设计已趋于完成 在毕业设计的阶段 首先非 常感谢我的指导老师 老师为我的毕业设计给予很大的帮助 在毕业设计选题的时 候为我提供很好的毕业设计方案并做出详细的讲解 在我的毕业设计过程中给予耐 心辅导和认真的监督 正因为有了郑老师的指导监督 其他老师的帮助及自身的努 力我的毕业设计才能够胜利的完成 四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号 而于我的人生却只是一个逗号 我将面对又一次征程的开始 四年的求学生涯在师长 亲友的大力支持下 走得辛 苦却也收获满囊 在论文即将付梓之际 思绪万千 心情久久不能平静 感谢我的 爸爸妈妈 养育之恩 无以回报 你们永远健康快乐是我最大的心愿 在论文即将 完成之际 我的心情无法平静 从开始进入选题到论文的顺利完成 有多少可敬的 师长 同学 朋友给了我无言的帮助 在这里请接受我诚挚谢意 人生的道路有 许多的坎坷 有痛苦 有伤心 有无助 也有面对一切所不能忍受的 这就是生活 但是生活中确实有许多美好的东西 有些时候你不会看到它本身的色彩 如果你用 这一种方式感受不到的话 不妨换一种方式去感受 也许它正是你所需要的那种生 活方式 千万不要放弃生活 你放弃了它 生活也就放弃了你 人生贵在的是感受 会感受才会有幸福 在生活中如果你感受的多了 那你才会感受到生活中的美好 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 22 参考文献参考文献 1 何嘉扬 赵志鹏编著 AVR单片机开发从入门到精通 北京 中国电力出版社 2009 2 李勇 浅谈智能化测量仪器仪表中的设计理念 J 硅谷 2008 6 20 3 古天祥等 电子测量原理 M 北京 机械工业出版社 2004 8 4 吴治隆 电路分析基础 M 重庆大学出版社 2004 03 5 杨龙麟 电子测量技术 M 重庆大学出版社 2004 6 6 高吉祥主编 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 M 北京 电子工业出 版社 2007 6 7 杨素行 模拟电子技术基础简明教程 第二版 M 北京 高等教育出版社 2004 145 8 余孟尝 数字电子技术基础简明教程 第二版 北京 高等教育出版社 2004 145 9 王幸之 AT89系列单片机原理与接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版 社 2002 78 10 吴治隆 张华宇 谢凤芹 王立滨等编著 AVR单片机开发入门与典型实例 北京 机械工业出版社 2011 11 胡汉才编著 高档AVR单片机原理及应用 北京 清华大学出版社 2008 12 郭戌生等 电子仪器原理 M 国防工业出版社 1989 13 黄智伟编著 全国大学生电子设计竞赛制作实训 M 北京 北京航天航空大 学出版社 2007 2 14 王松武 蒋志坚 电子测量仪器原理及应用 I 通用仪器 M 哈尔滨工 程大学 2002 15 杨吉祥等 电子测量技术基础 M 南京 东南大学出版社 2005 1 玉林师范学院本科生毕业设计 23 16 陆绮荣 电子测量技术 M 北京 电子工业出版社 2007 1 17 朱飞 杨平编著 AVR单片机C语言开发入门与典型实例 北京 人民邮电出版 社 2009 附录附录 附录附录A 作品实物图 作品实物图 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 24 附录附录B 主程序 主程序 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int define ulong unsigned long define LCD DATA PORT PORTA 定义LCD的D0 D7所在端口 define LCD DATA POUT DDRA 0 xFF 定义LCD数据端 define LCD Control OUT DDRB 0 xF0 define LCD PSB 1 PORTB 1 PB7 define LCD PSB 0 PORTBi for j ms j 0 j 写指令 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 26 void write cmd uchar cmd lcd写指令 LCD RS 0 RS 0 7 LCD RW 0 RW 0 LCD DATA PORT cmd delay 20 LCD EN 1 E 1 delay 20 LCD EN 0 E 0 delay 10 写数据 void write data uchar data lcd写数据 LCD RS 1 RS 1 LCD RW 0 RW 0 LCD DATA PORT data delay 10 LCD EN 1 E 1 delay 10 LCD EN 0 E 0 写坐标子程序 void lcd pos uchar x uchar y uchar pos if x 1 x 0 x80 else if x 2 x 0 x90 玉林师范学院本科生毕业设计 27 else if x 3 x 0 x88 else if x 4 x 0 x98 pos x y write cmd pos 显示地址 液晶初始化 void initi lcd 初始化lcd LCD PSB 1 PSB 1选择并行 write cmd 0 x30 delay 5 write cmd 0 x30 delay 5 write cmd 0 x0c delay 5 write cmd 0 x01 delay 5 write cmd 0 x06 delay 5 void name 显示数字RCL测试仪 lcd pos 1 0 s 0 while string3 s 0 write data string3 s 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 28 s delay 5 lcd pos 2 1 s 0 while string16 s 0 write data string16 s s delay 5 void display10 显示频率 XXXXXX Hz lcd pos 3 0 s 0 while string4 s 0 write data string4 s s delay 5 wwan pinglv 100000000 0 x30 qwan pinglv 100000000 10000000 0 x30 bwan pinglv 10000000 1000000 0 x30 swan pinglv 1000000 100000 0 x30 wan pinglv 100000 10000 0 x30 qian pinglv 10000 1000 0 x30 bai pinglv 1000 100 0 x30 shi pinglv 100 10 0 x30 ge pinglv 10 0 x30 玉林师范学院本科生毕业设计 29 write data wwan write data qwan write data bwan write data swan write data wan write data qian write data bai write data shi write data ge s 0 while string12 s 0 write data string12 s s delay 5 void display11 显示未检测到元件 lcd pos 4 0 s 0 while string13 s 0 write data string13 s s delay 5 void display5 ulong dat 显示电阻 XXX wwan dat 100000000 0 x30 qwan dat 100000000 10000000 0 x30 bwan dat 10000000 1000000 0 x30 swan dat 1000000 100000 0 x30 wan dat 100000 10000 0 x30 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 30 qian dat 10000 1000 0 x30 bai dat 1000 100 0 x30 shi dat 100 10 0 x30 ge dat 10 0 x30 lcd pos 4 0 s 0 while string0 s 0 write data string0 s s delay 5 write data swan write data wan write data qian write data bai s 0 while string14 s 0 write data string14 s s delay 5 write data shi write data ge s 0 while string5 s 0 write data string5 s s 玉林师范学院本科生毕业设计 31 delay 5 void display6 ulong dat 显示电阻 XXXX K wwan dat 100000000 0 x30 qwan dat 100000000 10000000 0 x30 bwan dat 10000000 1000000 0 x30 swan dat 1000000 100000 0 x30 wan dat 100000 10000 0 x30 qian dat 10000 1000 0 x30 bai dat 1000 100 0 x30 shi dat 100 10 0 x30 ge dat 10 0 x30 lcd pos 4 0 s 0 while string0 s 0 write data string0 s s delay 5 write data bwan write data swan write data wan write data qian s 0 while string14 s 0 write data string14 s s delay 5 write data bai write data shi write data ge s 0 while string6 s 0 write data string6 s 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 32 s delay 5 void display7 ulong dat 显示电阻 XXXX M wwan dat 100000000 0 x30 qwan dat 100000000 10000000 0 x30 bwan dat 10000000 1000000 0 x30 swan dat 1000000 100000 0 x30 wan dat 100000 10000 0 x30 qian dat 10000 1000 0 x30 bai dat 1000 100 0 x30 shi dat 100 10 0 x30 ge dat 10 0 x30 lcd pos 4 0 s 0 while string0 s 0 write data string0 s s delay 5 write data qwan 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