电容电阻电感测量仪设计报告

简易数字式电阻、电感和电容测量仪

摘要

本系统主控制部分采用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149。以自制电源作为LRC测量模块和各个主要控制芯片的输入电源，测量原理是通过测量电阻、电容或者电感和标准电阻各自的引起的频率变化，利用频率与电阻、电容、电感的函数关系推算出电阻值、电容值或者电感值。测量的原理是LM311组成的LC震荡器的震荡回路的频率由单片机采样，然后再依据震荡频率计算出对应的电容或电感值，以及由NE555多谐振荡电路实现对电阻的测量。软件设计部分使用C语言编程编写了包括控制测量程、按键处理、电阻电感电容计算、液晶显示程序。利用MSP430F149单片机控制测量和计算结果，测量结果采用12864液晶模块实时显示。

关键词： MSP430F149、NE555芯片、LRC测量、12864液晶

目录

1 系统总体方案设计 (1)

1.1系统方案选择 (1)

1.2系统软硬件总体设计 (1)

1.2.1硬件部分 (1)

1.2.2软件部分 (2)

2系统模块设计 (3)

2.1硬件模块设计 (3)

2.1.1电感电容测量模块 (3)

2.1.2电阻测量模块 (4)

2.1.3主控制模块 (5)

2.1.4 AD采样模块 (5)

2.1.5 液晶显示模块 (5)

2.2软件模块设计 (5)

2.2.1 控制测量程序模块 (5)

2.2.2按键处理程序模块 (6)

2.2.3电阻电感电容计算程序 (7)

2.2.4液晶显示程序模块 (7)

3系统测试 (8)

3.1测试原理 (8)

3.2测试方法 (8)

3.3测试结果 (8)

3.4测试分析 (9)

4系统总结 (9)

参考文献： (10)

1 系统总体方案设计

1.1系统方案选择

方案一.基于模拟电路的测量仪

利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数法和同步分离法等，虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。

方案二.可编程逻辑控制器(PLC)

采用PLC对硬件进行控制，应用较为广泛。它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，成本过高。

方案三.利用LRC振荡电路与单片机结合

利用LRC振荡电路将电阻、电容和电感参数转化为频率模拟信号，此模拟量由高精度AD转换芯片转换为数字量。这样由单片机处理数字量，能够满足测量精度高、易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。

通过对上述方案的比较，利用LRC振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本系统选定已MSP430F149单片机为核心来实现对电阻、电容和电感测量的设计。

1.2系统软硬件总体设计

1.2.1硬件部分

硬件设计主要分为四部分：(1)用RC和RL电路实现LRC振荡电路的功能，测量电阻、电容、电感模块。(2)利用MSP430F149单片机自带的AD实现模拟信号转换为数字信号的功能。(3) MSP430F149单片机接收转换后的数字信号并做相应的处理，根据按键状态控制测量的类型和单位。

(4)测量结果显示部分，采用的是12864液晶显示器。

系统硬件设计总体框图如下：

图1-1 系统硬件框图

1.2.2软件部分

软件设计主要分为四部分：(1) 控制测量程序,单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还负责数据的修正和传输; (2) 按键处理程序，根据按键的状态做相应的功能设置; (3) 电阻电感电容计算程序,单片机根据A/ D 转换得到的电压值计算出电阻、电感或者电容值; (4) 液晶显示程序。

本系统的程序总体框图如下：

图1-2 系统软件框图

2系统模块设计

2.1硬件模块设计

2.1.1电感电容测量模块

电路图2-1的核心是由LM311组成的LC 振荡器。

图2-1电感电容测量

测量的原理是由单片机通过对LM311输出端进行频率的采样，然后依据采集到的频率再计算出对应的电容或电感值。为了提高测量的精度，采用了以一个已知的标准电容L2为基准。由一个1000PF 的聚苯乙烯电容和一个20PF 的瓷介质电容并联而成，精度低，当C2未接入电路时，由L1、C1组成的振荡器的频率然后将C2与C1并联，这时,由L1和C1+C2组成的振荡器的频率通过计算得：

()

F F

C F C 2

221

22

21-÷

⨯=

（2-1） 和

C F L 1

2

12

141

⨯⨯⨯=

∏ （2-2）

可以看出L1和C1是基于已知的标准电容C2和两次测量的频率F1和F2计算出来的因此及准

确性主要取决于标准电容的精度。测算出F1、L1和C1之后，再用待测的电容Cx 代替出C2接入回

路中，测出的由L1和C1+Cx 组成的振荡器的频率F2,由公式

C F F C

X

122211⨯⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛-= （2-3） 就可以求出Cx 。 同理也可以用公式

L F F L

X

⨯⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛-=122211

（2-4）

测出Lx 。

2.1.2电阻测量模块

电路图2-2是一个由555电路构成的多谐振荡电路。

图2-2电阻测量

它的振荡周期T=(㏑2)（R4+2Rx ）C8 ，故可以导出 R4+2Rx=1/（（㏑2）C8f ）可以求得Rx

为使振荡频率保持在10kHz-100kHz 这一段单片机计数的高精度范围内，需选择合适的C8值和R4值。同时不使电阻功耗过大，在第一个量程选择R4=200欧姆，C8=0.22uf ；第二个量程R4=20k 欧姆，C8=1000pf 。这样，第一个量程中，Rx=100欧姆时（下限），有一个相应的频率输出。第二个量程中，Rx=1M Ω时（上限）时，有一个相应的频率输出。

因为RC 振荡的稳定度可达10ˉ³，单片机测量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。求出Rx 的值。