简易LCR测量仪

2015大连理工大学电子设计竞赛暨全国电子设计竞赛选拔赛简易LCR测量仪（D题）2015年6月5日摘要本设计中把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过测频法则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否切换单位，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送液晶屏，并显示相应的参数值。目录1系统方案...................................................................11.1测量方案的论证与选择.................................................11.2LCR切换模块的论证与选择.............................................11.3控制系统的论证与选择.................................................22系统理论分析与计算.........................................................42.1LCR值转频率的电路分析..............................................42.1.1RC值转频率的电路..............................................42.1.2L值转频率的电路...............................................42.2LCR值转频率的计算..................................................42.2.1电阻转频率的计算公式...........................................52.2.2电容转频率的计算公式...........................................52.2.3电感转频率的计算公式...........................................53电路与程序设计.............................................................53.1电路的设计...........................................................53.1.1系统总体框图...................................................53.1.2R值转频率电路原理图...........................................63.1.3C值转频率电路原理图...........................................73.1.4L值转频率电路原理图...........................................73.1.5电源...........................................................83.2程序的设计...........................................................83.2.1程序功能描述与设计思路.........................................83.2.2程序流程图.....................................................84测试方案与测试结果.........................................................94.1测试方案.............................................................94.2测试条件与仪器.......................................................94.3测试结果及分析.......................................................94.3.1测试结果(数据).................................................94.3.2测试分析与结论................................................11附录1：电路原理图..........................................................12附录2：源程序..............................................................161简易LCR测量仪（D题）【三只牛犊组】1系统方案本系统主要由电子元件集中参数R、L、C转频率模块、主控模块、R,L,C切换模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1测量方案的论证与选择方案一：电桥法电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。电桥的平衡条件为12()()12nxjjnxZZeZZe通过调节阻抗1Z、2Z使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以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，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。方案二：伏安法伏安法有固定轴法和自由轴法两种，区别在于相敏检波器的相位参考基准选取的不同。实际上，相敏检波的相位参考基准代表坐标轴的方向，相敏检波器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。但此方案需要信号源，由于信号源的制作较为繁琐，不够简洁。方案三：谐振法利用555的多谐震荡电路及电容三点式震荡电路将电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化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。综合以上三种方案，我们组最后决定使用方案三。1.2R,L,C切换模块的论证与选择方案一：4路模拟开关CD4066CD4066芯片（全称：四路模拟开关集成电路）内部含有A、B、C、D四路模拟开关，A路模拟开关由引脚13控制、B路模拟开关由引脚5控制、C路模拟开关由引脚6控制、D路模拟开关由引脚12控制。所有的控制引脚由软件编程控制，当控制线由软件置“1”时，该模拟开关闭合，当控制线由软件置“0”时，该模拟开关断开，且四路模拟开关可独立使用。但由于其断开时不能完全断开而只是阻抗很大，因此在进行RLC切换时会出现信号干扰问题。2下图为CD4066的内部结构图：方案二：电磁继电器电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。其开关的闭合与打开符合条件，不会出现信号干扰问题。综合以上两种方案，我们组最后决定使用方案二。1.3控制系统的论证与选择方案一：STM32STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M内核但其编程较为复杂，价格也不占优势。方案二：STC89C52·8位CPU·4kbytes程序存储器(ROM)(52为8K)·128bytes的数据存储器(RAM)（52有256bytes的RAM）·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令3·21个专用寄存器·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）·一个全双工串行通信口·外部数据存储器寻址空间为64kB·外部程序存储器寻址空间为64kB·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装·单一+5V电源供电CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最佳振荡频率为6M—12M。由于此方案需要单片机完成的工作只有驱动液晶，测量频率及简单计算，51完全可以胜任，且51性价比不错.因此选用51作主控芯片。综合以上两种方案，我们组最后决定使用方案二。42系统理论分析与计算2.1LCR值转频率电路的分析2.1.1RC值转频率电路（NE555芯片构成的多谐振荡器）电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。多谐振荡器的放电时间常数分别为tPH≈0.693×（R1+R2）×C1tPL≈0.693×R2×C1振荡周期T和振荡频率f分别为T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]2.1.2L值转频率电路电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图2.5.1所示。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，成为电容三点式电路。在这个电容三点式振荡电路中，C4C5分别采用1000pF、2200pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。振荡公式：12fLC，其中C为C1C2串联容值则电感的感抗为2214LfC52.2LCR值转频率的计算2.2.1电阻计算公式：R=138720677*（1/f）-325.5单位：电阻：欧，频率：Hz2.2.2电容计算公式：C=0.00050037*（1/f）单位：电容：pf，频率：Hz2.2.3电感计算公式：L=661102.8/(f*f)单位：电感：H频率：Hz3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如下图所示：63.1.2LCR值转频率电路原理图1、R值转频率电路原理图：2、C值转频率电路原理图：3、L值转频率电路原理图：74、过零比较电路：3.1.3档位切换电路原理图1、继电器部分切换电路：83.1.4电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置，测频和显示。1）键盘实现功能：选择测量对象（R、C、L），按键切换单位，复位。2）显示部分：显示测量频率和所测元件值。2、程序设计思路对系统初始化之后，判断是否有按键按下。以测电阻为例，若按下R开关，单片机输出高信号驱动继电器闭合。测量的电阻经RC振荡电路转换为频率f，根据测电阻的换算公式，利用单片机软件编程，测量出其阻值并送显示。使用外部中断实现按