简易电阻、电容和电感测量仪和程序代码(已验证)

1 23 简易电阻 电感和电容的测试仪简易电阻 电感和电容的测试仪 摘摘 要 要 本系统以 MSP430 单片机作为控制核心 由 555 构成多谐振荡电路实现对电 阻和电容的测量 采用电容三点式振荡电路实现对电感的测量 控制继电器实现电阻 电容测量的档位自动切换 使测量精度满足指标要求 为使单片机精确测量待测频率 在电感测量模块中先进行整形和分频 然后测量 以提高测量精度 该系统设计简单 成本低 操作简单 在测量范围内误差很小 经电路仿真分析可达到题目要求的指标 关键词关键词 555 多谐振荡电路 电容三点式振荡 MSP430 单片机 继电器 一 系统方案论证一 系统方案论证 1 1 电阻测量模块方案论证电阻测量模块方案论证 方案一 伏安法 如图 1 1 所示 分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和电 阻两端的电压 根据公式 R U I 求得电阻 这种测量方法虽然电路简单 但要同时测出 两个模拟量 不易实现自动化 而电压表与电流表都存在内阻 测量误差大 精度不高 Rx 方案二 电阻分压法 如图 1 2 所示 将待测电阻 Rx 和基准电阻 R 串联在电路中 由 于电阻分压的作用 当串联到电路上的电阻 Rx 的值不同时其 Rx 上分的压降也不同 通 过测量上 Vx 便可由公式 求得 XXX VVCCRVR X R 该方案原理简单 理论上只要参考电阻精确 就可以测量任何阻值的电阻 但实际 上由于 AD 的分辨率有限 当待测电阻很大或是很小时就很难测出 Rx 上的压降 Vx 从 而使测量范围缩小 要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高 AD 的分辨率 这无疑会增加系统的复杂性和成本 所以也不可行 方案三 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路 很多仪表都是把较难测量的物理 A V 图 1 2 电阻分压电路 图 1 1 伏安法测量原理 VccGND Vx RxR 2 23 量转变成精度较高且较容易测量的物理量 基于此思路 我们把电阻阻值转换成频率信 号 通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小 如果固定电阻值 该方案硬件 电路实现简单 通过选择合适的电容值即可获得适当的频率范围 同时输出波形为 TTL 电平的方波信号所以不需要再对信号做电平变换 即可直接供数字电路处理 这种处理 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 综合比较 基于对精度要求较高 并从测量时操作的简便程度考虑 本设计采用方 案三 用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路来实现要求 1 2 电容测量模块方案论证电容测量模块方案论证 方案一 利用 RC 充电原理 根据电路原理电容充电的时间常数 RC 通过选择 适当的参考电容 通过测量充电到一个固定电压时所需的时间即可以测量出相应的电容 大小 此方案下测量大电容较准 但在电容容量较小时 电容在极短的时间内就能充满 即充电时间较短 所以很难测准 方案二 电桥法是另一种经典的方法 如图 1 3 所示 可利用交流电桥来测量电容 电桥的平衡条件为 ee xn j x j n 2 1 21 ZZZZ 通过调节阻抗 Z1 Z2 使电桥平衡 这时电表读数是零 根据平衡条件及一些已知 的电路参数就可以求出被测参数 用这种测量方法 参数的值还要通过联立方程求解 调节电阻值一般只能手动 电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现 这样 电桥法不 易实现自动测量 方案三 同样利用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路 通过测量输出振荡频率 的大小即可求得电容的大小 如果固定电阻值 该方案硬件电路实现简单 能测出较宽 的电容范围 完全满足题目的要求 同时输出波形为 TTL 电平的方波信号所以不需要再 对信号做电平变换 即可直接输入单片机处理 综合比较 基于对精度要求较高 并从测量时操作的简便程度考虑 本设计采用方 案三 用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路来实现要求 1 3 电感测量模块方案论证电感测量模块方案论证 方案一 采用电桥法测量电感 将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥 通过单 G VC C GND Zn Z1Z2 Zx 图 1 3 直流电桥平衡电路 3 23 F1 F2 频率 片机控制调节电阻参数使电桥平衡 电感的大小由电阻和电桥的本征频率求得 该方案 测量精准 同时可以测量电容和电阻的大小 但其电路复杂 实现起来较为困难 方案二 用 555 定时器和被测电感利用电感储能以及充放原理构成多谐振荡器 通 过测频率值确定被测电感的值 该方案电路结构简单 输出波形为 TTL 电平的方波信号 简单分频后可获得较为理想的测试频率范围 方便单片机精确测量 方案三 采用 LC 配合三极管组成三点式振荡电路 通过测输出频率大小的方法来实 现对电感值测量 该方案成本最低 但其输出波形为正弦波 需要将其波形整形后才能 交给处理器处理 成本稍微高了 综合比较 基于方案二的设计误差太大 最终采用了方案三 1 41 4 频率测量方案论证频率测量方案论证 方案一 直接测频法 该测量方法是把被测频率信号经过脉冲形成电路 计数器计 数被测信号的脉冲周数 从而通过计算频率的公式得到被测信号的频率 此方案对低频 信号的测量精度不是很高 对于高频信号的测量也不是很准确 只在一定范围的频率内 才能测得比较准确的数值 因此只适用于一定范围内的频率测量 方案二 测周期法 该测量方法是通过测量被测信号的周期来计算频率 被测信号 经脉冲形成电路变成方波通过单片机的计数器计数 再根据计算公式即可获得被测信号 的频率 该方案对低频信号的测量比较准确 但对于高频信号 测量误差较大 故只适 合低频信号的测量 在比较两种方案之后 决定采用第一种方案来进行频率的测量 1 5 系统方案概述系统方案概述 电阻谐振式测量 电容谐振式测量 电感三点式测量 DIP 开开 关关 MSP430 单 片 机 数 字 显 示 量程切换 量程切换 分频电路 图 1 4 系统设计总框图 F3 整形电路 4 23 系统设计总框图如图 1 4 所示 本设计将电阻 电容和电感测量模块产生的不同频 率的方波信号经整形和分频电路分别送至通道选择模块 根据测试的元件类型 单片机 通过按键的输入选择相应的测试电路 并自动检测出待测元件的值所对应的频率范围 控制继电器实现对元件测量的自动换挡 同时单片机通过一定的计算后 在液晶显示屏 上显示出元件的类型和测量值 二 理论分析与计算二 理论分析与计算 2 1 电阻测量的分析与计算电阻测量的分析与计算 电阻测量原理图如图 2 1 所示 是由 555 定时器和 R1 R2 C1 组成的多谐振荡电 路 电路振荡产生的频率由 R1 Rx C1 确定 电容 C1 的充电所需的时间 即脉冲维持时间 2ln 1x11 CRRt 放电所用时间 即脉冲低电平时间 2ln 12 CRt x 所以脉冲周期时间为 2 2ln 1121x RRCttt 故输出脉冲频率为 2 2ln 1 11x RRC f 所以只要已知 R1 RX C1 中的其中两项的参数再通过单片机测出振荡频率的大小 就可以计算出剩下第三项的参数 本设计中通过固定 R1 和 C1 的参数将待测量的电阻作 为 R2 接入电路中的方法来测量电阻 为使振荡频率保持在 10 20kHz 这一段单片机计数的高精度范围内 需选择合适的 C1 和 R1 的值 同时不能使电阻功耗太大 所以我们设计了两路电路 第一个量程选择 uFCR1 500 11 第二个量程选择 这样 nFCKR1 18 22 在第一个量程中 若时 下限 100 x R kHz RRC f x 06 2 2 2ln 1 11 图 2 1 电阻电容测量原理图 R1 Rx C1 Vout 5 23 在第二个量程中 若时 上限 MRx10 kHz RRC f x 72 2 2ln 1 22 因为 RC 振荡的稳定度可达 1 1000 单片机测频率最多误差一个脉冲 所以由单片 机测频率值引起的误差在百分之一以下 量程自动转换原理 单片机在第一个频率的记录中发现频率过小 即通过继电器转 换量程 再测频率 求的值 x R 误差分析 fC RR x 2 2 2ln 1 2 fCC C ffC f Rx 222 2ln2ln 2 2 2 2 2 C C f f RR R x x 因为相当小 在左右 远小于仪表所需要的精度 可忽略 这样 ff 01001 的精度取决于 即电容的稳定性 电路中采用了稳定性良好的独石电 xx RR 22 CC 容 理论上说 只要小于 所测电阻的精度亦能在以下 由于单片 22 CC 1001 1001 机程序中采用了多位数的浮点运算 计算精度可远高于 1001 2 2 电容测量的分析与计算电容测量的分析与计算 电容测量的原理图也如图 2 1 同样由 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 由 2 1 的分析知其振荡周期为 得出 即 2 2 ln 1 21 RRC f x 2 2 ln 1 C 21 RRfx x 为使频率在单片机高精度测量范围内 我们同样设计了两路电路 取值分别为 第 一量程 第二量程 MRkR10 1 21 kRkR470 470 43 这样的取值使电容档的测量范围很宽 同样可通过继电器转换量程 误差分析 同的测量 有 x R 1 1 R R f f C C x x 已知能满足以下的精度 而精密的金属膜电阻其阻值的变化 ff 1001 亦能满足左右的精度 这样 电容的精度也可以做得很高 11 RR 1001 6 23 2 3 电感测量的分析与计算电感测量的分析与计算 电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的 三点式振荡电路是指 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 而与发射级相连的两个电抗元件同为电容式的三点式振荡电路 其振荡频率为 即 LC fx 2 1 Cff L xx x 4 1 如图 3 3 所示 C1 和 C2 分别采用 100nF 和 1uF 的独石电容 其电容值远大于晶体 管的极间电容 可以把极间电容忽略 则uFCCCCC09 0 2121 单片机的高精度测量范围有限 因此在测电感这一档时 只能分频后送单片机计数 误差分析 Cff L xx x 4 1 Cff C C f C C L f f L L 2 2 2 2 2 42 2 C C f f L L 2 由此可见 因为相当小 的精度主要取决于电容值的稳定性 从理 ff LL 论上讲 只要小于 也就能达到相当的水平 一般而言 电容的 CC 1001 LL 稳定性 特别是像独石电容一类性能比较好的电容 能满足小于的要求 CC 1005 这样误差精度就能保持在以内 1005 三 硬件电路设计三 硬件电路设计 3 1 测量电阻电路的设计测量电阻电路的设计 电阻的测量分为两个量程 第一个量程 开关 S1 和 S3 闭合 Hzf30 第二个量程 开关 S2 和 S4 闭合 Hzf30 电路图如图 3 1 所示 7 23 图 3 1 电阻测量电路图 3 2 测量电容电路的设计测量电容电路的设计 电容的测量同样设计了两路电路 取值分别为 第一量程 开关 S2 和 S4 闭合 pFpF x 1000C10 第二量程 开关 S1 和 S3 闭合 pFpF x 100000C1000 电路图如图 3 2 所示 图 3 2 电容测量电路图 3 3 测量电感电路的设计测量电感电路的设计 因为电感测量模块产生的信号是正弦信号 所以必须先整形成方波 又由理论分析 可知电路的输出频率很高 所以也要对输出的信号分频 单片机才能处理 8 23 3 3 1 电感测量电路电感测量电路 图 3 3 电感测量电路 3 3 2整形电路整形电路 图 3 4 整形电路 3 3 3 分频电路分频电路 图 3 5 10 分频电路 9 23 3 4 继电器的设计继电器的设计 电阻与电容的测量电路中均需要自动换挡 我们采用继电器来实现 继电器是一种 电子控制器件 通常应用于自动控制电路中 当测量电路中所测频率过低时 单片机就 会控制继电器转换量程 如图 3 6 所示为继电器的原理图 其中 二极管是对其有保护作用 三极管有放大 电流的作用 在具体电路中 继电器是 1 伏和 3 伏换挡 通过单片机来实现其自动化 图 3 6 继电器原理图 3 53 5 按键部分按键部分 通道的选择可以通过 MSP430单片机上面的键盘控制 通道选择见表3 1 表3 1 按键通道选择 按键对应测试项 KEY1 测试 R KEY2 测试 C KEY5 测试 L KEY6 返回 10 23 四 四 程序设计程序设计 开始 时钟 液晶屏 键盘初始化 扫描键盘获得键值 Check Key 2 电容测量3 电感测量1 电阻测量 转换量程 f 30Hz 转换量程 C 0 i 稳定时间 while IFG1 如果振荡器失效标志存在 BCSCTL2 SELM 2 SELS SMCLK LFXT2CLK 捕获设置 void Init cap P1DIR P1 3 输入 P1SEL BIT3 p1 3 复用为 TA2 TACCTL2 CM 2 SCS CCIS 0 CAP CCIE 下降沿捕获 同步捕获 CCIxA P1 3 捕获中断使捕获模式能 CCR0 TIMER TACTL TASSEL 1 MC 1 TAIE TACLR 时钟源 ACLK 增计数模式 TAIFG 中断 请求使能 timer B 设置 void Init TB P1DIR 0 xfe P1SEL BIT0 闸门法测频输入口为 P1 0 TBCCTL0 CCIE 使能 CCR0 中断 TBCCR0 1023 设定周期 0 25S TBCTL TBSSEL 1 ID 3 MC 1 定时器 b 的时钟源选择 ACLK 增计数模式 15 23 CCTL0 CCIE TACTL TASSEL 0 MC 2 外部引脚 TACLK 信号 连续计数模式 TAR 0 显示界面 const uchar hang1 R L C 测量 const uchar hang2 电阻请按 1 const uchar hang3 电容请按 2 const uchar hang4 电感请按 5 测量界面 const uchar hang5 电阻测量 const uchar hang6 R const uchar hang7 退出测量请按 6 const uchar hang8 电容测量 const uchar hang9 C const uchar hang10 电感测量 const uchar hang11 L uH const uchar hang22 const uchar hang17 K const uchar hang f f Hz const uchar hang 99 主函数 void main void int p 0 int K Stop watchdog timer to prevent time out reset WDTCTL WDTPW WDTHOLD Init clk 初始化时钟 Ini Lcd 初始化液晶 Init Keypad 初始化键盘端口 c huanying P6DIR 0 xff P6OUT 0 x00 while 1 Ini Lcd P6OUT 0 x00 Disp HZ 0 x80 hang1 7 16 23 Disp HZ 0 x90 hang2 5 Disp HZ 0 x88 hang3 5 Disp HZ 0 x98 hang4 5 Key Event Check Key if key Flag 1 key Flag 0 K key val 电阻计算 if K 1 int i 0 P6OUT 0 x40 Init cap 初始化 CAP TBCCTL0 CCIE 关闭 CCR0 中断 Ini Lcd double Rc 0 RA 0 Disp HZ 0 x80 hang5 8 Disp HZ 0 x90 hang f 8 Disp HZ 0 x88 hang6 8 Disp HZ 0 x98 hang7 8 EINT 打开中断 while 1 Key Event Check Key if key Flag 1 key Flag 0 K key val while flag DINT flag 0 清楚捕捉标志 f pulse if f 26 const uchar hang22 f f 100 Value unsigned long f Disp ShuZhi 0 x92 Value 17 23 f f 100 P6OUT 0 x40 Rc 1 RA 500 R 1 4427 Rc 1e 6 f RA R R 2 if R 30 R R R 0 30 if 30 R f f 100 Value unsigned long f Disp ShuZhi 0 x92 Value f f 100 Rc 0 01 RA 20000 18 23 const uchar hang22 K R 1 4427 Rc 1e 6 f RA R R 1000 R R 2 if 25 R if 100 R if R4500 R R R 0 06 R R 100 Value unsigned long R Disp ShuZhi 0 x8A Value Disp HZ 0 x8E hang22 2 Init cap 初始化 CAP EINT delay 1ms 1000 else i 1 f 0 break if K 6 break if K 6 break if i 1 i 0 f 0 break if K 6 DINT f 0 pulse 0 Value 0 TAR 0 break 电容计算 else if K 2 int i 0 P6OUT 0 x80 Init cap 初始化 CAP TBCCTL0 CCIE 关闭 CCR0 中断 Ini Lcd double R1 0 R2 0 Disp HZ 0 x80 hang8 8 Disp HZ 0 x90 hang f 8 Disp HZ 0 x88 hang9 8 Disp HZ 0 x98 hang7 8 EINT 打开中断 while 1 if i 0 P6OUT 0 x80 19 23 Key Event Check Key if key Flag 1 key Flag 0 K key val TBCCTL0 CCIE 关闭 CCR0 中断 EINT while flag DINT flag 0 清楚捕捉标志 f pulse f f 100 Value unsigned long f Disp ShuZhi 0 x92 Value f f 100 R1 1000 R2 1000000 const uchar hang23 pF CZ 1 4427 R1 2 R2 f 1e 6 CZ CZ 1e 6 EINT if CZ 950 i 1 P6OUT 0 x84 DINT flag 0 清楚捕捉标志 f pulse f f 100 Value unsigned long f Disp ShuZhi 0 x92 Value f f 100 R1 465500 R2 461000 const uchar hang23 nF CZ 1 4427 R1 2 R2 f 1e 6 CZ CZ 1e 3 if 1 5 CZ CZ CZ 100 Value unsigned long CZ Disp ShuZhi 0 x8A Value Disp HZ 0 x8F hang23 1 20 23 Init cap 初始化 CAP EINT else i 0 if CZ 65 CZ CZ 18 if 65 CZ 900 CZ CZ 20 CZ CZ 100 Value unsigned long CZ Disp ShuZhi 0 x8A Value Disp HZ 0 x8F hang23 1 Init cap 初始化 CAP EINT if K 6 DINT f 0 pulse 0 Value 0 TAR 0 break 电感计算 else if K 5 P6OUT 0 xC0 Init cap 初始化 CAP TBCCTL0 CCIE 关闭 CCR0 中断 Ini Lcd double LC 9 090909 Disp HZ 0 x80 hang10 8 Disp HZ 0 x90 hang f 8 Disp HZ 0 x88 hang11 8 Disp HZ 0 x98 hang7 8 EINT 打开中断 while 1 Key Event Check Key if key Flag 1 key Flag 0 K key val const uchar hang mH mH EINT 打开中断 21 23 while flag DINT flag 0 清楚捕捉标志 f pulse f f 100 Value unsigned long f Disp ShuZhi 0 x92