基于ATmega128L單片機的數(shù)字式RLC測量儀畢業(yè)論文.doc

基于基于 ATmega128LATmega128L 單片機的單片機的 數(shù)字式數(shù)字式 RLCRLC 測量儀畢業(yè)論文測量儀畢業(yè)論文 目錄 1 引言引言 1 2 任務(wù)介紹與方案論證任務(wù)介紹與方案論證 1 2 1 任務(wù)介紹 1 2 2 設(shè)計方案介紹 1 2 2 1 電阻測量方案選擇 1 2 2 2 電容測量方案選擇 2 2 2 3 電感測量方案選擇 3 2 2 4 單片機方案選擇 3 2 2 5 顯示模塊方案選擇 3 2 2 6 量程切換模塊方案的選擇 4 3 主要器件介紹主要器件介紹 4 3 1 ATMEGA128L 單片機的介紹 4 3 2 液晶顯示模塊介紹 5 3 3 ADVFC32 壓頻簡介 6 3 4 OP07 芯片的簡介 7 3 5 555 電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 7 3 6 OPA820 芯片介紹 8 3 7 TLV3502 芯片介紹 8 4 硬件電路介紹硬件電路介紹 9 4 1 測量儀的系統(tǒng)框架 9 4 2 ATMEGA128L 單片機電路圖的設(shè)計 9 4 3 測量電路的設(shè)計 10 4 3 1 電阻測量電路設(shè)計 10 4 3 2 電容測量電路設(shè)計 12 4 3 3 電感測量電路設(shè)計 12 4 4 繼電器自動換擋電路 13 4 5 電源設(shè)計電路 14 4 6 鍵盤電路 15 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 16 5 1 軟件整體設(shè)計 16 5 2 測量模式程序設(shè)計 17 6 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 18 6 1 硬件調(diào)試 18 6 2 軟件調(diào)試 18 6 3 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù) 18 6 3 1 測試儀器 18 6 3 2 電阻測試數(shù)據(jù) 19 6 3 3 電容測試數(shù)據(jù) 19 6 3 4 電感測試數(shù)據(jù) 20 6 4 誤差分析 20 7 結(jié)束語結(jié)束語 20 致謝致謝 21 參考文獻參考文獻 22 附錄附錄 23 附錄 A 作品實物圖 23 附錄 B 主程序 24 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 0 1 引言引言 目前 單片機技術(shù) 1 在智能化測量儀表 2 中得到了越來越廣泛的應(yīng)用 利用單片 機可以實現(xiàn)測量儀表的自動化和智能化 并能進行數(shù)據(jù)分析和處理以達到儀表的高 精度和高可靠性 RLC 測量儀是一種自動測量電阻 R 電感 L 電容 C 等參數(shù)的測 量儀器 高精度測量 RLC 參數(shù)技術(shù)可廣泛用于電阻 電容 電感元件的篩選 還可 以用于電路板分立元件的參數(shù)測量與分析 本文設(shè)計的 RLC 測量儀是將電子元件的參數(shù)通過測量電路轉(zhuǎn)換成頻率的值 再 通過單片機計算處理輸出顯示在液晶上 利用繼電器實現(xiàn)測量儀的自動切換測量 經(jīng)過軟件設(shè)計實現(xiàn)測量儀的測量功能 與傳統(tǒng)的測量儀器相比 該 RLC 測量儀有操 作方便 測量精度高 測量范圍廣 測量智能化等優(yōu)點 具有很大的實用性和推廣 意義 2 任務(wù)介紹與方案論證任務(wù)介紹與方案論證 2 1 任務(wù)介紹任務(wù)介紹 任務(wù)要求有 1 本系統(tǒng)要求實現(xiàn) RLC 智能化測量 通過單片機控制繼電器實現(xiàn)自動選擇測 量 自動切換測量量程 2 要求友好的人機交流界面 運用 12864 液晶顯示和 4 4 矩陣鍵盤使顯示界面 友好操控 簡潔方便 3 電阻測量的要求范圍為 100 1M 精度為 5 電容測量要求范圍為 100pF 10uF 精度為 5 電感測量要求范圍為 100 H 10mH 精度為 5 2 2設(shè)計方案介紹設(shè)計方案介紹 2 2 1 電阻測量方案選擇電阻測量方案選擇 方案一 利用 RC 充電原理測電阻 其利用 RC 充電的原理測量電阻 首先我 們選定參考電容 由 RC 充電公式 3 RC 2 1 可知 只要知道 RC 電路充電的時間就可以測量被測電阻 此方案在測量阻值 比較小的電阻時其阻容時間常數(shù)也比較小 微小的時間使得單片機難以處理 計算 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 1 也比較繁瑣 當(dāng)阻值較大時電阻阻值的時間常數(shù)的線性度很差 其計算的結(jié)果誤差 也很大 所以使得電阻測量的范圍很小 方案二 電阻分壓法 該方案易于實現(xiàn)且原理比較簡單 從理論上說只要給定精 確的參考電阻 就能夠以基準(zhǔn)電阻測量任何大小的電阻阻值 在測量中被測電阻分 壓的電壓值通過伏頻轉(zhuǎn)換芯片 ADVFC32 把電壓轉(zhuǎn)換頻率送往單片機計數(shù) 這樣使 得測量過程比較方便 其結(jié)果比較精確 測量的范圍也比較廣 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 圖圖 2 1 電阻分壓測量電阻電路電阻分壓測量電阻電路 Figure 2 1 The resistor voltage divider resistance measurement circuit 如圖 2 1 用穩(wěn)定的電源 Vcc 把基準(zhǔn)電阻 R0與被測電阻 RX串聯(lián)在電路中 由于 串聯(lián)電路電阻有分壓的作用 根據(jù)電路電阻分壓的公式 3 2 2 0 0 U RR R U X X X 與已知的參考電阻就可以測量出阻值 X R 方案三 伏安法 4 它的測量原理來源于阻抗的定義 即若已知流經(jīng)被測阻抗 的電流相量并測得被測阻抗兩端的電壓 通過比率便可得到被測阻抗的相量 顯然 要實現(xiàn)這種方法 儀器必須能進行相量測量及除法運算 綜合考慮以上方案 本設(shè)計采用方案二 用電阻分壓法測量電阻 2 2 2 電容測量方案選擇電容測量方案選擇 方案一 利用 脈沖計數(shù)法 原理 通過采用 RC 與 NE555 定時器組成的多諧 振蕩電路 固定準(zhǔn)確的參考電阻 然后通過測量振蕩輸出的頻率就可以測出電容的 電容值大小 此方案硬件電路結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn) 而且測量的電容容值范圍也比較 廣 同時該多諧振蕩電路輸出是頻率的值 單片機可以對其輸出頻率直接進行計數(shù) 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 2 方案二 電橋法 5 具有較高的測量精度 被廣泛采用 現(xiàn)已派生出許多類型 但電橋法測量需要反復(fù)進行平衡調(diào)節(jié) 測量時間長 很難實現(xiàn)快速的自動測量 綜合考慮以上方案 本設(shè)計采用方案一 用 NE555 構(gòu)建 RC 多諧振蕩電路測量 電容 2 2 3 電感測量方案選擇電感測量方案選擇 方案一 利用電橋平衡法測量電感 6 用待測電感和已知標(biāo)準(zhǔn)電阻 電容組成電 橋 單片機調(diào)節(jié)電阻參數(shù)使電橋平衡 此時 電感的大小由電阻和電橋的本征頻率 即可求得 然后由電橋的計算公式求出被測電感 該方案測量的電感比較準(zhǔn)確 但 該方案電路復(fù)雜 實現(xiàn)起來比較困難 方案二 采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn) 7 三點式電路是指 LC 回路中與發(fā)射 極相連的 兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的 另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的 而 與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點式電路 稱為電容三點式電路 該 電路測量簡單 方便 準(zhǔn)確度高 綜合考慮以上方案 本設(shè)計采用方案二 LC 和三極管構(gòu)成三點式振蕩電路測電 感 2 2 4 單片機方案選擇單片機方案選擇 方案一 采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制器 FPGA 功能強大 可實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏 輯功能 規(guī)模大 密度高 它將所有器件集成在一塊芯片上 可以減少體積 提高 穩(wěn)定性 并且可用 EDA 軟件仿真 8 調(diào)試 易于進行功能擴展 但成本高 由于本 設(shè)計對數(shù)據(jù)的處理速度本不高 FPGA 的高速處理優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn) 且硬件電 路復(fù)雜 方案二 采用 AT89S52 單片機 9 作為控制器 該單片機算術(shù)運算功能較強 軟 件編程靈活 自由度大 可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯功能 本身帶有定時 計 數(shù)器 可以用來定時 計數(shù) 并且具有功耗低 體積小 技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點 但是測量頻率只有 500k 達不到系統(tǒng)對頻率測量的要求 方案三 采用ATmega128L單片機作為系統(tǒng)的主控單片機 10 ATmega128L單片 機速度快 系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定 它能夠測量頻率在2M以內(nèi)的方波脈沖 滿足了本系 統(tǒng)對頻率測量的要求 同時該單片機算術(shù)運算功能強大 編程采用的是精簡指令集 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 低功耗 而且I O口的電流也能夠直接驅(qū)動繼電器 綜合考慮以上方案 本設(shè)計采用方案三 用 ATmega128L 單片機做控制器 2 2 5 顯示模塊方案選擇顯示模塊方案選擇 方案一 采用數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管具有壽命長 耐老化 對外界環(huán)境要求低等 優(yōu)點 但LED八度數(shù)碼管引腳排列不規(guī)則 動態(tài)顯示時要加驅(qū)動電路 硬件電路復(fù) 雜 方案二 采用帶有字庫的12864液晶顯示屏 12864液晶顯示屏 LCD 具有功 耗低 輕薄短小無輻射危險 平面顯示及影像穩(wěn)定 不閃爍 可視面積大 畫面效 果好 抗干擾能力強等優(yōu)點 同時 12864帶有字庫 編程容易 且具有多種功能 光標(biāo)顯示 畫面移位 睡眠模式 增加可讀性 降低功耗 綜合考慮以上方案 本設(shè)計采用方案二 用 12864 液晶顯示 2 2 6 量程切換模塊方案的選擇量程切換模塊方案的選擇 方案一 采用撥碼開關(guān)進行量程切換 撥碼開關(guān)體積小 使用簡單 但是必須 采用手動才能進行量程切換 不能自動切換量程 測量時顯得比較麻煩 方案二 采用 HRS1H S DC5V 繼電器作為量程切換模塊 該繼電器體積較小 使用簡單 ATmega128L 單片機能夠直接驅(qū)動 不需要再加三極管進行電流放大 實現(xiàn)了自動切換量程 綜合考慮以上方案 為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動測量 設(shè)計選擇方案二 采用繼電器作 為量程切換模塊 3主要器件介紹主要器件介紹 3 1 ATmega128L單片機的介紹單片機的介紹 ATmega128L單片機引腳如圖3 1所示 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 4 圖圖 3 1 ATmega128L 引腳圖引腳圖 Figure3 1 The ATmega128L Pin Figure ATmega128L 11 8位微控制器是ATMEL推出的AVR單片機中的高檔產(chǎn)品 具有 高速低功耗 超強功能 精簡指令的特點 能夠同時讀 寫 在執(zhí)行指令的同時 通過SPI UART或兩線接口對快閃存儲器進行編程或重新編程 AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器 所有的寄存器都直接與算 術(shù)邏輯單元 ALU 相連接 使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立 的寄存器 這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率 并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器 高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率 ATmega128L具有如下特點 128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 具有在寫的過程 中還可以讀的能力 即RWW 4K字節(jié)的EEPROM 4K字節(jié)的SRAM 53個通用I O 口線 32個通用工作寄存器 實時時鐘RTC 4個靈活的具有比較模式和PWM功能 的定時器計數(shù)器 T C 兩個USART 面向字節(jié)的兩線接口TWI 8通道10位ADC 具有可選的可編程增益 具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 SPI串行端口 與IEEE1149 1規(guī)范兼容的JTAG測試接口 此接口同時還可以用于片上調(diào)試 以及六 種可以通過軟件選擇的省電模式 空閑模式時CPU停止工作 而SRAM T C SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩 所有功能除了中斷 和硬件復(fù)位之外都停止工作 寄存器的內(nèi)容則一直保持 省電模式時異步定時器繼 續(xù)運行 以允許用戶維持時間基準(zhǔn) 器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài) ADC噪聲抑 制模式時CPU和所有的I O模塊停止運行 而異步定時器和ADC繼續(xù)工作 以減少 ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲 Standby模式時振蕩器工作而其他部分睡眠 使得器件只消 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 5 耗極少的電流 同時具有快速啟動能力 擴展Standby模式則允許振蕩器和異步定時 器繼續(xù)工作 3 2液晶顯示模塊介紹液晶顯示模塊介紹 12864液晶顯示模塊是128 64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊 可顯示漢字及圖 形 該系統(tǒng)所用的12864液晶使用ST7920控制器 5V電壓驅(qū)動 帶背光 內(nèi)置8192 個16 16點陣 128個字符及64 256點陣顯示RAM 帶中文字庫的LCD12864每屏可 顯示4行8列共32個16 16點陣的漢字 每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16 8 點陣ASCII碼字符 即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示 與 外部CPU接口采用并行的控制方式 利用12864顯示模塊靈活的接口方式和簡單 方 便的操作指令 可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面 表3 1為該模塊管腳使用的說明 表表3 1 12864LCD管腳功能管腳功能 Table 3 1 12864 LCD tube foot function 名稱型態(tài)電平功能描述 VccI 模塊電源輸入 GNDI 模塊電源輸入 V0I 電源地 VeeI 對比度調(diào)節(jié) PSBIH L液晶驅(qū)動電壓輸入 RSTIH L并口 串口選擇 H 并口 L 串口 RSIH L寄存器選擇 H 數(shù)據(jù) L 指令 R WIH L讀寫選擇 H 讀 L 寫 ENIH L使能信號 DB0 DB3I OH L數(shù)據(jù)總線低四位 DB4 DB7I OH L數(shù)據(jù)總線高四位 LEDAI背光正 LEDKI背光負 3 3 ADVFC32壓頻簡介壓頻簡介 圖 3 2 a 所示為 ADVFC32 芯片的管腳圖 ADVFC32 是一種電壓 頻率轉(zhuǎn)換器和 頻率 電壓轉(zhuǎn)換器的綜合器件 具有良好的線性度 滿度時的頻率范圍為 0 500KHz 輸入正電壓或者負電壓就可以轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)比例的頻率 這個過程只需 要很少的外圍電路就可以完成 用相同的外圍電路亦可以完成頻率到電壓的轉(zhuǎn)換 加入一個簡單的偏置網(wǎng)絡(luò)就可以調(diào)節(jié)輸入邏輯電平的范圍 ADVFC32 工作于電壓 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 6 頻率轉(zhuǎn)換器模式時 該芯片的基本外圍電路連接方法如圖 3 2 b a b 圖圖 3 2 ADVFC32 管腳圖和外圍電路管腳圖和外圍電路 Figure 3 2 feet ADVFC32 tube map and peripheral circuit 3 4 OP07 芯片的簡介芯片的簡介 OP07 芯片是一種低噪聲 非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路 由于 OP07 具有非常低的輸入失調(diào)電壓 OP07A 最大為 25 V 所以 OP07 在很多應(yīng)用場 合不需要額外的調(diào)零措施 OP07 同時具有輸入偏置電流低 OP07A 為 2nA 和開 環(huán)增益高 OP07A 為 300V mV 的特點 這種低失調(diào) 高開環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面 管腳圖如圖 3 3 所示 圖圖 3 3 OP07 管腳圖管腳圖 Figure 3 3 feet 0P07 tube map 3 5 555 電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 NE555 集成電路開始是作定時器應(yīng)用的 所以叫做 555 定時器 但后來經(jīng)過開 發(fā) 還可用于調(diào)光 調(diào)溫 調(diào)壓 調(diào)速等多種控制及計量檢測 此外 還可以組成 脈沖振蕩 單穩(wěn) 雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路 用于交流信號源 電源變換 頻率變換 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 脈沖調(diào)制等 由于它工作可靠 使用方便 價格低廉 目前被廣泛用于各種電子產(chǎn) 品中 555 集成電路內(nèi)部有幾十個元器件 有分壓器 比較器 基本 R S 觸發(fā)器 放電管以及緩沖器等 電路比較復(fù)雜 是模擬電路和數(shù)字電路的混合體 電路組成 及其引腳如圖 3 4 圖圖 3 4 電路組成及其引腳電路組成及其引腳 Figure 3 4 The circuit components and pin 3 6 OPA820 芯片介紹芯片介紹 OPA820 為常見的運算放大器 單位增益穩(wěn)定 OPA820 的輸入失調(diào)電壓 噪聲 等指標(biāo)都很小 適合放大小信號 運算放大器一般可簡單地視為 具有一個信號輸 出端口 out 和同相 反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元 因 此可采用運放制作同相 反相及差分放大器 OPA820 的管腳圖如 3 5 所示 圖圖 3 5 OPA820 芯片管腳芯片管腳 Figure 3 5 The OPA820 chip pins 3 7 TLV3502 芯片介紹芯片介紹 TLV3502 為雙通道高速比較器 功能快速 在 4 5 ns 可以完成傳播延遲和操作 過程 本設(shè)計的作品的電源電壓分別為 V 5v V 5v 該比較器輸入 幾乎沒有 噪音豁免的范圍內(nèi) 指定的偏移電壓 5 mv 對于緩慢移動或嘈雜的輸入信號 多 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 8 個開關(guān)作為輸入信號 通過比較開關(guān)閾值 比較器輸出高或低電平 在這樣的應(yīng)用 程序 6 mv 的內(nèi)部磁滯的 TLV3502 可能是不充分的 在某些情況下更大的噪音免 疫力 是理想的 管腳圖如 3 6 所示 圖圖 3 6 TLV3502 芯片管腳芯片管腳 Figure 3 6 The TLV3502 chip pins 4硬件電路介紹硬件電路介紹 4 1測量儀的系統(tǒng)框架測量儀的系統(tǒng)框架 本設(shè)計的原理框架如下圖 4 1 所示 系統(tǒng)以 ATmega128L 單片機為控制核心 用 RLC 測量電路 繼電器自動換擋電路和 12864 液晶顯示電路實現(xiàn)了對電阻 電感 電容的測量 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 圖圖 4 1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖 Figure 4 1 The system principle diagram 4 2 ATmega128L單片機電路圖的設(shè)計單片機電路圖的設(shè)計 圖 4 2 中 主要包括 ATmega128L 單片機 JTAG 下載電路 ISP 下載電路 復(fù) 位電路 時鐘電路 液晶顯示電路 獨立按鍵電路 流水燈電路等 使用 ICCAVR 軟件對 ATmega128L 單片機進行編程操作 實現(xiàn)頻率測量 量程切換 控制 12864 液晶屏等功能 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 10 圖圖4 2 ATmega128L單片機電路圖單片機電路圖 Figure4 2 The circuit diagram of ATmega128L MCU 4 3測量電路的設(shè)計測量電路的設(shè)計 4 3 1電阻測量電路設(shè)計電阻測量電路設(shè)計 由于電阻范圍較廣 常用電阻的范圍是 1 10M 所以采用電阻分壓法測量 電阻的時候需要分為多個測量量程 每個測量量程都用一個合適的精密電阻作為參 考電阻 為提高測量精度 電阻測量電路中使用了 ADVFC32 伏頻轉(zhuǎn)換芯片 利用 精密電阻搭成的電阻網(wǎng)絡(luò)將被測電阻阻值的變化量分為 0 9 V 的電壓變化 該電壓 經(jīng)過運算放大器 OP07 跟隨后接入 ADVFC32 的電壓控制端 ADVFC32 會輸出一個 頻率隨輸入電壓線性變化的脈沖波 脈沖波頻率的范圍是 0 38 KHz 最后通過 單片機的計數(shù)器計算出具體頻率值 根據(jù) ADVFC32 的輸入電壓和輸出頻率之間的 線性關(guān)系 還有精密電阻的分壓比就可以求出待測電阻的阻值 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 圖圖 4 3 電阻測量原理圖電阻測量原理圖 Figure 4 3 The resistance measurement principle diagram 圖 4 3 所示電路為電阻測量原理圖 由原理圖可以看出 被測電阻 RRX和已知 電阻 RRB是串聯(lián)關(guān)系 當(dāng) RRX發(fā)生改變時 RRX兩端電壓就會發(fā)生變化 然而實 x U 際電路中我們要把經(jīng)過 OP07 運算放大器跟隨后再輸入到壓頻變換芯片 x U ADVFC32 的電壓控制端 然后 ADVFC32 頻率輸出端會產(chǎn)生頻率與輸入電壓呈 x f 線性關(guān)系的方波脈沖 可以通過頻率計數(shù)器和單片機得到 相關(guān)計算如下 12 x f 4 1 0 0 U RR R U x x x x x x UU RU R 0 0 其中是已知電壓 0 UVU10 0 4 2 3800010 xx fU 38000 10 x x f U 其中 10 是 ADVFC32 電壓控制端的電壓滿刻度值 38000 是滿電壓值對應(yīng)的輸 出頻率滿刻度值 由 4 1 式和 4 2 式可知 只要知道 便可以求出被測電 x f 阻的值 x R 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 12 4 3 2電容測量電路設(shè)計電容測量電路設(shè)計 由一個555電路構(gòu)成的多諧振蕩器電路 其振蕩周期為 13 4 3 CRRTTT 2 2 ln 2121 圖4 4中 RC1與RC2 RC3與RC4 RC5與RC6 RC7與RC8的阻值相等 分別組成四 個不同的量程 單片機控制繼電器選擇不同的電阻配對 可得到不同的量程 再將 多諧振蕩器的輸出波形接到單片機的頻率測量端口 就能夠測量出振蕩器的輸出波 形的頻率 通過式 4 4 CR f 1 2 ln3 1 可以計算出待測電容值 圖圖 4 4 電容測量電路原理圖電容測量電路原理圖 Figure 4 4 The capacitance measurement circuit principle diagram 4 3 3電感測量電路設(shè)計電感測量電路設(shè)計 由電容和電感構(gòu)成電容三點式振蕩器 而振蕩頻率只和電容值和電感值有關(guān) 它們之間的關(guān)系為 14 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 LC F 2 1 利用這個公式 只須令C已知 通過測量F就可以求出L的值 如圖4 5所示 在 電容三點式振蕩器中 C1 C2 分別采用1000pF和1000pF的獨石電容 其電容值遠 遠大于晶體管極間電容 所以極間電容可以忽略 電路的穩(wěn)定性主要取決于電容 在此電路中采用性能較好的獨石電容 這樣使得電路的誤差精度可以保持在5 以內(nèi) 由標(biāo)稱元件和對應(yīng)的待測元件組成的振蕩回路會振蕩出頻率穩(wěn)定的正弦波 該正弦 波經(jīng)過放大器OPA820和比較器TLV3502之后會產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波脈沖 接下來通 過ATmega128L單片機測頻就可以實現(xiàn)對電感元件的測量 圖圖 4 5 電感測量電路原理圖電感測量電路原理圖 Figure 4 5 The inductance measurement circuit principle diagram 4 4 繼電器自動換擋電路繼電器自動換擋電路 本系統(tǒng)中采用 HRS1H S DC5V 繼電器作為量程切換模塊 該繼電器體積較小 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 14 使用簡單 ATmega128L 單片機能夠直接驅(qū)動 不需要再加三極管進行電流放大 能實現(xiàn)自動切換量程的功能 該原理圖由 14 個繼電器組成 3 個繼電器進行電阻的 自動換擋測量 8 個對電容進行自動換擋測量 余下的對電子元件類型進行自動換 擋測量 繼電器的原理是當(dāng)單片機給一個高電平時 繼電器閉合 這時繼電器就相 當(dāng)于導(dǎo)線 當(dāng)為低電平時 繼電器處于斷開狀態(tài) 圖圖4 6 繼電器自動換擋電路繼電器自動換擋電路 Figure 4 6 The relay automatic shift circuit 4 5電源設(shè)計電路電源設(shè)計電路 本系統(tǒng)中用到的電源共有 5V 12V 選擇了線性三端穩(wěn)壓芯片 7805 7905 7812 7912 來構(gòu)成電源電路核心 首先通過一個變壓器將 220V 市電變成 18V 的交流電 經(jīng)過整流橋和濾波電容之后 分別通過穩(wěn)壓芯片就得到了需要的 4 路電壓 在穩(wěn)壓芯片之后的電路中還需要加電容電感來構(gòu)成濾波電路 15 這個濾波 電路很重要 必須將輸出的直流電壓中交流紋波濾除到 8mV 以下才能保證運算放大 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 器和其他模擬芯片的正常工作 其次 焊接和布線對電源質(zhì)量也有很大關(guān)系 焊接 導(dǎo)線時需保持焊點光滑 不能有毛刺 特別是穩(wěn)壓芯片管腳上的焊點 有時候焊點 的毛刺會帶來很大的紋波干擾 16 布線時 盡量避免粗導(dǎo)線交叉 不同電源之間的 導(dǎo)線應(yīng)留有一定距離 盡量將線間干擾降到最低 圖圖 4 7 系統(tǒng)電源的電路圖系統(tǒng)電源的電路圖 Figure 4 7 The system of power supply circuit diagram 4 6鍵盤電路鍵盤電路 鍵盤電路原理圖如圖4 8所示 鍵盤電路是一個很典型的 4 4 矩陣鍵盤電路 利用鍵盤對電子元件類型進行換擋測量 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 16 圖圖4 8 鍵盤電路原理圖鍵盤電路原理圖 Figure 4 8 The keyboard circuit principle diagram 5系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 5 1軟件整體設(shè)計軟件整體設(shè)計 本系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括按鍵掃描 系統(tǒng)測量 液晶顯示等 其主流程圖如圖5 1 所示 開始 按鍵掃描 是否有按鍵值 進入測量模 式進行測量 進入待測模 式進行等待 LCD 顯示 N h 是 Y 圖圖5 1 程序主流程圖程序主流程圖 Figure 5 1 The program ZhuLiuCheng figure 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 17 通電時 先對單片機及液晶進行初始化 然后進入鍵盤掃描狀態(tài)并判斷鍵盤是 否有輸入值及鍵盤輸入值是多少 并根據(jù)輸入值進入測量模式或是待測模式 進入 模式后 經(jīng)過程序運算后把相應(yīng)的信息送往液晶顯示并返回鍵盤掃描狀態(tài) 5 2測量模式程序設(shè)計測量模式程序設(shè)計 測量模式程序流程如下圖5 2 測量模式輸入 液晶顯示 電感模式 電感測量 電容測量 電容模式 電阻測量 電阻模式 模式值變化 啟動繼電器 圖圖5 2 測量模式程序流程圖測量模式程序流程圖 Figure 5 2 The measurement model program flow chart 當(dāng)程序進入測量模式時 首先判斷按鍵按下的檔位值 即選擇測量電阻 電容 電感的檔位 然后根據(jù)不同的檔位值通過繼電器自動切換到相應(yīng)的檔位上 在電 阻和電容測量電路中為提高測量精度都設(shè)有多個不同的測量量程 測量時 單片機 會根據(jù)輸出的頻率值大小啟動繼電器切換到不同的測量量程進行測量 最后把測量 的頻率值和換算的電子元件值送往12864液晶屏上顯示 電感測量時 不需要進行量 程換擋 單片機直接根據(jù)電感測量電路輸出的頻率進行計數(shù) 再通過公式進行軟件 調(diào)試 最后把數(shù)據(jù)輸出顯示在液晶上 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 18 6系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 6 1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 本設(shè)計的硬件電路由電源電路 單片機控制電路 液晶顯示電路 鍵盤輸入電 路 繼電器驅(qū)動電路 測量電路組成 在硬件調(diào)試中采用了分模塊調(diào)式方法進行調(diào) 試 電源模塊調(diào)試 首先檢查電源模塊是否有短路 是否有接錯現(xiàn)象 確認正確后 再上電 再用萬用表測其輸出是否正常 單片機控制電路調(diào)試 測試單片機時先下載一個簡單的流水燈程序 觀察單片 機的 I O 口是否正常 最好是測一下 I O 口的輸出電壓是多少 如果少于 3 5v 可能 就驅(qū)動不了繼電器 正常的 I O 口的輸出電壓應(yīng)該在 4 3v 5v 之間 液晶顯示電路調(diào)試 如果單片機控制電路正常 然后給顯示電路上電 接著下 載一個簡單的液晶顯示例程 若液晶能正常顯示 則該模塊可以正常使用 鍵盤輸入調(diào)試 下載一個簡單的鍵盤例程到單片機 觀察按鍵輸入和顯示的情 況就可以知道鍵盤是否正常 繼電器驅(qū)動模塊調(diào)式 用單片機給繼電器輸入一個 1HZ 的方波頻率 是否聽到 繼電器有閉合的響聲 如果能聽見 吱吱吱吱 的聲音 說明繼電器良好 測量電路模塊調(diào)試 首先固定一個檔位和量程 在沒有接被測元件時 用示波 器檢測輸出端是否有信號頻率輸出 如果沒有再接上電子元件檢查是否有方波信號 輸出 如果有信號輸出就說明調(diào)試成功 然后再換到另一個量程測試 依次類推下 去 6 2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試 在軟件調(diào)式中直接將程序下載入單片機進行分模塊調(diào)試 首先調(diào)試液晶顯示模 塊 接著調(diào)試按鍵掃描程序 觀察是否出現(xiàn) 3 種測量模式 電阻測量 電容測量 電感測量 最后調(diào)試驗證是否有頻率輸出顯示在液晶上 如果有 根據(jù)增大或減少 頻率值調(diào)試自動換擋程序 如果正常就調(diào)試頻率轉(zhuǎn)換程序 如果上述調(diào)試都成功 那本設(shè)計的軟件調(diào)試就成功完成了 6 3 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù) 6 3 1 測試儀器測試儀器 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 19 數(shù)字萬用表 GDM 8248 雙蹤數(shù)字示波器 GDS 2202 直流穩(wěn)壓電源 DF1731SLL3A 雙蹤模擬示波器 GOS 6103C 數(shù)字電橋 型號 HF2817 6 3 2 電阻測試數(shù)據(jù)電阻測試數(shù)據(jù) 表 6 1 所示數(shù)據(jù)是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋測量的電阻值與本系統(tǒng)測量的電阻值對比 表表 6 1 電阻測試數(shù)據(jù)電阻測試數(shù)據(jù) Table 6 1 The resistance test data 待測電阻值 標(biāo)稱 本系統(tǒng)測量值 電橋測量值 誤差 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 電容測試數(shù)據(jù)電容測試數(shù)據(jù) 表 6 2 所示數(shù)據(jù)是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋測量的電容值與本系統(tǒng)測量的電容值的比 較 表表 6 2 電容測試數(shù)據(jù)電容測試數(shù)據(jù) Table 6 2 The capacitance test data 待測電容值 標(biāo)稱 F本系統(tǒng)測量值 F電橋測量值 F誤差 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 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 20 10u9 99u9 71 2 88 47u46 5u45 4u 2 42 100u95 99u97 2u 1 24 6 3 4 電感測試數(shù)據(jù)電感測試數(shù)據(jù) 表 6 3 所示數(shù)據(jù)是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電橋測量的電感值與本系統(tǒng)測量的電感值的對 比 表表 6 3 電感測試數(shù)據(jù)電感測試數(shù)據(jù) Table 6 3 The inductance test data 6 4誤差分析誤差分析 系統(tǒng)誤差來源比較多 比如電源的穩(wěn)定性 環(huán)境溫度的變化 運放的漂移 電 路板的焊接 以及測試電路中標(biāo)準(zhǔn)元件的精確度等 但是 主要誤差是電源質(zhì)量和 標(biāo)準(zhǔn)元件的精度造成的 為了克服這個問題 就要采取多種措施來減小誤差 本系 統(tǒng)中采用的方法是多次測量求平均值來減小誤差 然后在軟件中加入修正值 經(jīng)過 求平均值后 系統(tǒng)的誤差得到有效的降低 7結(jié)束語結(jié)束語 該測量儀具有功能強 性能可靠 電路簡單 測量方便等特點 加上自行設(shè)計 待測電感值 標(biāo)稱 H 本系統(tǒng)測量值 H電橋測量值 H誤差 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 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 21 的浮點數(shù)的運算 累計頻率功能等 使它可方便地擴展其他功能 如頻率計 量程 自動轉(zhuǎn)換等功能又使這個測量儀表具有較高的智能化水平 本文設(shè)計的這種把元件 參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率后測量的方法也有不足之處 主要是必須保證電路起振 并且振蕩 要穩(wěn)定 否則會增加誤差 這也是今后需進一步完善的地方 致謝致謝 經(jīng)過近三個月時間的努力 畢業(yè)設(shè)計已趨于完成 在畢業(yè)設(shè)計的階段 首先非 常感謝我的指導(dǎo)老師 老師為我的畢業(yè)設(shè)計給予很大的幫助 在畢業(yè)設(shè)計選題的時 候為我提供很好的畢業(yè)設(shè)計方案并做出詳細的講解 在我的畢業(yè)設(shè)計過程中給予耐 心輔導(dǎo)和認真的監(jiān)督 正因為有了鄭老師的指導(dǎo)監(jiān)督 其他老師的幫助及自身的努 力我的畢業(yè)設(shè)計才能夠勝利的完成 四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號 而于我的人生卻只是一個逗號 我將面對又一次征程的開始 四年的求學(xué)生涯在師長 親友的大力支持下 走得辛 苦卻也收獲滿囊 在論文即將付梓之際 思緒萬千 心情久久不能平靜 感謝我的 爸爸媽媽 養(yǎng)育之恩 無以回報 你們永遠健康快樂是我最大的心愿 在論文即將 完成之際 我的心情無法平靜 從開始進入選題到論文的順利完成 有多少可敬的 師長 同學(xué) 朋友給了我無言的幫助 在這里請接受我誠摯謝意 人生的道路有 許多的坎坷 有痛苦 有傷心 有無助 也有面對一切所不能忍受的 這就是生活 但是生活中確實有許多美好的東西 有些時候你不會看到它本身的色彩 如果你用 這一種方式感受不到的話 不妨換一種方式去感受 也許它正是你所需要的那種生 活方式 千萬不要放棄生活 你放棄了它 生活也就放棄了你 人生貴在的是感受 會感受才會有幸福 在生活中如果你感受的多了 那你才會感受到生活中的美好 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 22 參考文獻參考文獻 1 何嘉揚 趙志鵬編著 AVR單片機開發(fā)從入門到精通 北京 中國電力出版社 2009 2 李勇 淺談智能化測量儀器儀表中的設(shè)計理念 J 硅谷 2008 6 20 3 古天祥等 電子測量原理 M 北京 機械工業(yè)出版社 2004 8 4 吳治隆 電路分析基礎(chǔ) M 重慶大學(xué)出版社 2004 03 5 楊龍麟 電子測量技術(shù) M 重慶大學(xué)出版社 2004 6 6 高吉祥主編 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程 M 北京 電子工業(yè)出 版社 2007 6 7 楊素行 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程 第二版 M 北京 高等教育出版社 2004 145 8 余孟嘗 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程 第二版 北京 高等教育出版社 2004 145 9 王幸之 AT89系列單片機原理與接口技術(shù) M 北京 北京航空航天大學(xué)出版 社 2002 78 10 吳治隆 張華宇 謝鳳芹 王立濱等編著 AVR單片機開發(fā)入門與典型實例 北京 機械工業(yè)出版社 2011 11 胡漢才編著 高檔AVR單片機原理及應(yīng)用 北京 清華大學(xué)出版社 2008 12 郭戌生等 電子儀器原理 M 國防工業(yè)出版社 1989 13 黃智偉編著 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽制作實訓(xùn) M 北京 北京航天航空大 學(xué)出版社 2007 2 14 王松武 蔣志堅 電子測量儀器原理及應(yīng)用 I 通用儀器 M 哈爾濱工 程大學(xué) 2002 15 楊吉祥等 電子測量技術(shù)基礎(chǔ) M 南京 東南大學(xué)出版社 2005 1 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 23 16 陸綺榮 電子測量技術(shù) M 北京 電子工業(yè)出版社 2007 1 17 朱飛 楊平編著 AVR單片機C語言開發(fā)入門與典型實例 北京 人民郵電出版 社 2009 附錄附錄 附錄附錄A 作品實物圖 作品實物圖 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 24 附錄附錄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 定義LCD的D0 D7所在端口 define LCD DATA POUT DDRA 0 xFF 定義LCD數(shù)據(jù)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 寫指令 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 26 void write cmd uchar cmd lcd寫指令 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 寫數(shù)據(jù) void write data uchar data lcd寫數(shù)據(jù) 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 寫坐標(biāo)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 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 27 else if x 3 x 0 x88 else if x 4 x 0 x98 pos x y write cmd pos 顯示地址 液晶初始化 void initi lcd 初始化lcd LCD PSB 1 PSB 1選擇并行 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 顯示數(shù)字RCL測試儀 lcd pos 1 0 s 0 while string3 s 0 write data string3 s 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 28 s delay 5 lcd pos 2 1 s 0 while string16 s 0 write data string16 s s delay 5 void display10 顯示頻率 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 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 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 顯示未檢測到元件 lcd pos 4 0 s 0 while string13 s 0 write data string13 s s delay 5 void display5 ulong dat 顯示電阻 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 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 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 玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 31 delay 5 void display6 ulong dat 顯示電阻 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 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀 32 s delay 5 void display7 ulong dat 顯示電阻 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 write data bwan s 0 while string14 s 0 wr