简易数字电阻、电容、电感测量仪

简易数字电阻、电容、电感测量仪简易数字电阻、电容、电感测量仪摘要本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149和LM311、LM334对电阻、电容和电感参数的测量。本系统以锂电池自制电源作为各个主要控制芯片输入电源，采用通过测量电阻的电压和电容或者电感的频率利用频率比例计算的方法推算出电阻值、电容值或者电感值。利用MSP430F149单片机控制测量和计算结果，运用自校准电路提高测量精度，同时用差压法，消除了电源波动对结果的影响。测量结果采用12864液晶模块实时显示。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。关键字MSP430F149单片机；电阻测量；电容测量；电感测量ABSTACTTHISSYSTEMUSESTIS16BITULTRALOWPOWERMICROCONTROLLERMSP430F149ANDLM311,LM334ONRESISTANCE,CAPACITANCEANDINDUCTANCEPARAMETERSOFMEASUREMENTTHESELFPOWERLITHIUMBATTERYSYSTEMCONTROLCHIPASTHEMAJORINPUTPOWER,USINGTHEVOLTAGEBYMEASURINGTHERESISTANCEANDCAPACITANCEORINDUCTANCEOFTHEFREQUENCYOFUSEOFTHEFREQUENCYRATIOMETHODOFCALCULATINGPROJECTEDRESISTANCE,CAPACITANCEORINDUCTANCEMSP430F149MCUUSINGMEASUREMENTSANDCALCULATIONS,THEUSEOFSELFCALIBRATIONCIRCUITTOIMPROVETHEMEASUREMENTACCURACY,WITHTHEDIFFERENTIALPRESSUREMETHODTOELIMINATETHEPOWERFLUCTUATIONSONTHERESULTS12864MEASUREDUSINGREALTIMEDISPLAYLCDMODULEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHESYSTEMISSTABLEANDHIGHPRECISIONKEYWORDSMSP430F149MICROCONTROLLERRESISTANCEMEASUREMENTCAPACITANCEMEASUREMENTINDUCTANCEMEASUREMENT简易数字电阻、电容、电感测量仪1目录1引言12方案论证121总体方案描述122微处理器模块123电阻测量部分124电容和电感部分（和电桥方案对比）125信号调理部分126按键和液晶显示部分13系统硬件、软件的实现131硬件部分的实现1311微处理器（MCU）电路1312电阻测量模块1313电容电感测量模块1314LCD液晶显示和按键模块1315信号调理模块1316电源模块132软件实现（软件框图）14系统测试141主要测试用的仪器142指标测试结果15附录1简易数字电阻、电容、电感测量仪21引言高精度低功耗的手持数字式简易测量设备被我们越来越多的使用到学习和生产当中。随着电子技术的发展，对设备的测量范围、工作时间、稳定度以及便携度提出了越来越高的要求。简易数字式电阻、电容、电感测量仪就是在这样的一个大的前提下开发出来的。首先，本设计使用的是TI的MSP430F149单片机，其具有极低的功耗，其次我们选用其他外围器件都是根据低功耗设计。12864液晶的显示界面友好美观。本系统的工作稳定，测量精度高。2方案论证21总体方案描述设计并制作一台简易数字式电阻、电容和电感参数测量仪，由测量对象、测量仪、LCD显示和自制电源组成。系统模块划分如下图所示电容电感测量电阻测量LCD显示MSP430F149MCU多路开关计数器键盘图21系统方案描述220V整流、滤波15V5V12V图22电源方案描述简易数字电阻、电容、电感测量仪322微处理器模块方案一使用C8051F040使用C8051F040单片机作为系统的控制核心。单片机具有体积小，片上资源丰富，使用灵活，易于人机对话，有较强的指令寻址和运算功能等优点，但是该单片机体积较大，功耗较高。方案二使用MSP430F149使用MSP430F149单片机作为系统的控制核心。MSP430F149具有体积小，片上资源丰富和I/O口多可复用的优点，最重要的是MSP430F149具有超低的功耗，这是其他控制器不可比拟的优势。在此系统中，我们经过细致的思考，最终选择了MSP430F149作为整个控制系统的控制核心，其一是它比C8051F040更适合出现在此系统中，但最重要的一点是MSP430F149比C8051F040具有更低的功耗，符合我们的设计初衷，所以我们选择了方案二。23电阻测量部分方案一交流电桥测量法交流电桥的构造及原理均与直流惠斯通电桥相同，电源使用交流电，四臂的阻抗Z1、Z2、Z3、Z4，可以用电阻、电感、电容或其他组合，电桥平衡的条件是（231）此条件显示交流电桥不同于直流电桥首先条件有两个，因此，需要调节两个参数才能使电桥平衡；其次，阻抗的多样性可以组合成各具特色的电桥，但非所有电桥都能同时满足达到平衡的条件。方案二LM334恒流源测量法该方法是给待测电阻提供一个恒定电流，利用单片机的AD采集其两端的电压来确定其电阻值。此种方法简单易行，但是由于电阻变化范围是1010M，电压变化范围太大，而单片机AD输入范围有限，所以至少需要六个挡才能实现要求的指标。方案三使用VFC32压频变换法该方法的基本原理是将电阻的变化变成010V电压的变化，然后控制压频变换芯片产生线性变化的频率值，单片机通过采集频率值来计算电阻大小。该方法电路简单，频率稳定，只需要两个档位即可完成要求范围内电阻值的测量。经过讨论，我们选择了方案三作为我们测量电阻的方案。简易数字电阻、电容、电感测量仪424电容和电感部分（和电桥方案对比）方案一台式数字万用中的L、C的测量L、C的数字化测量方法，首先利用正弦信号在被测阻抗的两端产生交流电压，然后通过实部和虚部的分离，最后利用电压的数字化测量来实现。16732AR一UR图22电感电压变换器考虑到电容器常用的等效电路形式，电容电压变换时，电容采取并联形式。图23所示为它的阻抗电流变换部分。809图23电容电压变换器方案二LM311组成的LC震荡器本机的核心电路是一个由LM311组成的LC震荡器。测量的原理是由单片机测量LC震荡回路的频率，然后再依据震荡频率计算出对应的电容或电感量。为了提高测量的精度，本机采用了以一个已知的标准电容为基准，测量振荡2简易数字电阻、电容、电感测量仪5器频率再计算电感电容的方法。由一个1000PF的聚苯乙烯电容和一个20PF2的瓷介电容并联而成，精度为05，当未接入电路时，由组成的振荡211器的频率（241）然后将C2与C1并联，这时由L_1和C1C2组成的振荡器的频率（242）将以上两式变换整理后可得（243）和简易数字电阻、电容、电感测量仪6（244）可以看出和是基于已知标准电容和两次测量的频率和计算出11212来的，因此其准确性主要取决于标准电容的精度。测算出、和之后，111再用待测电容代替接入回路中，测出由和C1CX组成的振荡器的频率21，由公式就可以求出2CX，同理也可以用公式LX测出LX。12/22综合我们的考虑，方案二的精度和可操作性是值得肯定的，所以我们选侧第二个方案来作为我们的核心测量方案。25信号调理部分方案一使用单片机的资源捕捉此种方法外围电路十分简单，但误差较大，由于本测量系统要求精度高所以这种方法需要改进。方案二外加计数器这样做虽然外围电路麻烦了一些，但保证了测量精度，所以增加计时器是行的通的。在系统中需要采集LC震荡的频率，从而确定电容电感的容值和感值，其精度是有较高要求的，所以我们选择方案二。简易数字电阻、电容、电感测量仪7A1CLR2QBDU_4395680PKESTGN一图24计数器原理图26按键和液晶显示部分方案一采用数码管显示。其优点是元件价格便宜，而且外围的电路简单。但是扫描占用大量的I/O口资源，从而增大了单片机的运算开销，显示信息也不丰富，最重要的是功耗太大。方案三采用LCD1602液晶显示其优点是显示方便，使用方便灵活，占用I/O口少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销，但是其显示内容比较单一，所以放弃此方案。方案二采用12864LCD液晶显示其优点是显示信息非常丰富，可以很形象的显示设计者的所想，方便使用者使用，占用I/O口少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。鉴于本系统的设计要求和扩展要求，我们采用LCD12864液晶作为我们的显示模块，用自制的独立式键盘作为数据的输入部分，这样设计的初衷是减少IO口的使用，便于其他的外围设备并于系统。简易数字电阻、电容、电感测量仪83系统硬件、软件的实现31硬件部分的实现311微处理器（MCU）电路本作品使用的MSP430F149单片机最小系统电路图31DVC1P6/A2457REFXINOUT9E0LKSMOSCBHWUAPGY图31MSP430F149单片机最小系统312电阻测量模块一Q图32电源模块原理图简易数字电阻、电容、电感测量仪9313电容电感测量模块12345678ULMHKRB0CAEVGNDUFPPX一Q图33电容电感测试原理图314LCD液晶显示和按键模块OIWSFKEY图34按键原理图简易数字电阻、电容、电感测量仪10315信号调理模块A1CLR2QBDU_74395680PKESTGN一图36计数器原理图316电源模块VFO/IMUZENRMH图37电源管理模块简易数字电阻、电容、电感测量仪1132软件实现（软件框图）开始单片机时钟初始化单片机端口初始化液晶初始化显示开机界面开启总中断定时器初始化低功耗图38程序流程图简易数字电阻、电容、电感测量仪12图39系统中断流程4系统测试41主要测试用的仪器（1）TDS1002数字示波器（2）MFG8250A波形发生器（3）UT39A数字万用表（4）TH2820型电桥简易数字电阻、电容、电感测量仪1342指标测试结果电容档电桥测试值测试值误差205PF2065058477PF4891089677PF70121231024PF104380452026PF2034026292NF2781561084NF10470122140NF21520454003NF40990569835NF932255220034NF20189055041NF51056032电感档电桥测试值测试值误差176UH218UH101342UH3946UH532232UH22602UH153833MH34700MH921345U34676MH003502M4616MH812简易数字电阻、电容、电感测量仪1410144M9603MH41512524M12595MH1232163M22607MH5124606M49036MH71电阻档电桥测试值测试值误差001200554790121010130231001002005100099802100K999K025510K51012K0011M999845K0125M5002558K02610M9989926K0455附录附录一