1、 玉林师范学院本科生毕业设计 基于 ATmega128L单片机的 数字式 RLC测量仪 The Digital RLC Measuring Instrument Based on ATmega128L Microcontroller 院 系 电子与通信工程学院 专 业 电子信息科学与技术 班 级 2009级 2班 姓 名 学 号 200905402223 指导教师单位 电子与通信工程学院 指导教师姓名 指导教师职称 讲 师 基于 ATmega128L 单片机的 数字式 RLC 测量仪 电子信息科学与技术 2009 级 2 班 指导老师 摘要 随着 智能化 和数字式 测量仪表的 发展， 智能化测
2、量仪 表 得到了越来越广泛的应用 ，设计数字化的仪器已成为市场需求。 本设计是根据单片机测出 RLC 电路的输出频率，然后对电阻、电感、电容三大基本电子元件进行测量，而且利用继电器进行自动换挡测量。其基本原理是以 ATMEL 公司的 8 位高速低功耗单片机 ATmega128L 为控制核心，通过相应的电子电路将电阻值、电感值、电容值均转换成频 率值，利用单片机的内部计数器进行测频，然后通过程序运算计算出待测元件的数值送往 12864液晶屏上显示。本设计系统电路包括电源电路，单片机系统电路， RLC 测量电路，自动测量电路，液晶显示电路。 本设计测量的电阻范围为 10-10M，精度为 2 ；测出
3、的电容范围为 100pF-100uF,精度为 3 ； 测出的电感范围为 10uH-10mH，精度为 5 。 本设计作品 有操作方便 ，准确度高等优点。 关键词 : 单片机 ， RLC 测量， 自动 换挡 The Digital RLC Measuring Instrument Based on ATmega128L Microcontroller Electronic Information Science and Technology 2009-2 ZhengYong Supervisor ZhengJin-cun Abstract With the development of intel
4、ligent and digital measuring instruments, intelligent measuring instruments has been widely applied. Therefore, the design of digital instruments has become a market demand. This design can measure the resistor, inductor, capacitor which are the three basic electronic components based on the output
5、frequency of RLC circuit measured by the single chip microcomputer. And this is completed through the automatic transmission measurement by relays. The basic principle is: with ATmega128 being the controlling core , which is the 8 bits high-speed and low-power microcontroller of ATMEL company, conve
6、rt the resistance, inductance, capacitance values into the relative frequency values through the corresponding electronic circuit, and use MCU internal counter for frequency measurement. Then display the numerical value of the components to be tested on the 12864 LCD screen through the procedural ar
7、ithmetic. This system circuit design includes power circuit, microcontroller system circuit, RCL measurement circuit, automatic measurement circuit and LCD display circuit. The scope of resistance measurement of this design is between 10 -10 M with the accuracy of 2%. The capacitance range measured
8、is between 100pf-100uf with the accuracy of 3%. The inductance measured is in the range of 10uH-10mH with the accuracy of 5%. Measure inductance in the range of 10uH-10mH, accuracy of 5%. This design has many advantages such as convenient operation and high accuracy. Key words： microcontroller, RLC
9、measuring, automatic shift 目录 1 引言 . 1 2 任务介绍与方案论证 . 1 2.1 任务介绍 . 1 2.2 设计方案介绍 . 1 2.2.1 电阻测量方案选择 . 1 2.2.2 电容测量方案选择 . 2 2.2.3 电感测量方案选择 . 3 2.2.4 单片机方案选择 . 3 2.2.5 显示模块方案选择 . 3 2.2.6 量程切换模块方案的选择 . 4 3 主要器件介绍 . 4 3.1 ATMEGA128L 单片机的介绍 . 4 3.2 液晶显示模块介绍 . 5 3.3 ADVFC32 压频简介 . 6 3.4 OP07 芯片的简介 . 7 3.5 5
10、55 电路的结构组成和工作原理 . 7 3.6 OPA820 芯片介绍 . 8 3.7 TLV3502 芯片介绍 . 8 4 硬件电路介绍 . 9 4.1 测量仪的系统框架 . 9 4.2 ATMEGA128L 单片机电路图的设计 . 9 4.3 测量电路的设计 . 10 4.3.1 电阻测量电路设计 . 10 4.3.2 电容测量电路设计 . 12 4.3.3 电感测量电路设计 . 12 4.4 继电器自动换挡电路 . 13 4.5 电源设计电路 . 14 4.6 键盘电路 . 15 5 系统软件设计 . 16 5.1 软件整体设计 . 16 5.2 测量模式程序设计 . 17 6 系统调试
11、 . 18 6.1 硬件调试 . 18 6.2 软件调试 . 18 6.3 系统测试数据 . 18 6.3.1 测试仪器 . 18 6.3.2 电阻测试数据 . 19 6.3.3 电容测试数据 . 19 6.3.4 电感测试数据 . 20 6.4 误差分析 . 20 7 结束语 . 20 致谢 . 21 参考文献 . 22 附录 . 23 附录 A：作品实物图 . 23 附录 B：主程序 . 24 玉林师范 学院本科生毕业设计 1 1 引言 目前，单片机技术 1在智能化测量仪表 2中得到了越来越广泛的应用，利用单片机可以实现测量仪表的自动化和智能化，并能进行数据分析和处理以达到仪表的高精度和高
12、可靠性。 RLC 测量仪是一种自动测量电阻 R、电 感 L、电容 C 等参数的测量仪器。高精度测量 RLC 参数技术可广泛用于电阻、电容、电感元件的筛选，还可以用于电路板分立元件的参数测量与分析。 本文设计的 RLC 测量仪是将电子元件的参数通过测量电路转换成频率的值，再通过单片机计算处理输出显示在液晶上，利用继电器实现测量仪的自动切换测量， 经过软件设计实现测量仪的测量功能。与传统的测量仪器相比，该 RLC 测量仪 有 操作方便、测量精度高、测量范围广、测量智能化 等优点 ，具有很大的实用 性 和推广意义。 2 任务介绍与方案论证 2.1 任务介绍 任务要求有： 1、 本系统要求实现 RLC
13、 智能化测量，通过单片机控制继电器实现自动选择测量、自动切换测量量程 。 2、 要求友好的人机交流界面，运用 12864 液晶显示和 44 矩阵键盘使显示界面友好操控 ， 简洁方便。 3、 电阻测量的要求范围为 1001M 精度为 5 ；电容测量要求范围为100pF10uF 精度 为 5 ；电感测量要求范围为 100H10mH精度为 5 。 2.2设计方案介绍 2.2.1 电阻测量方案选择 方案 一 ：利用 RC 充电 原理 测电阻。其利用 RC 充电的原理测量电阻，首先我们选定参考电容，由 RC 充电公式 3： =RC (2.1) 可知，只要知道 RC 电路充电的时间就可以测量被测电阻。此方
14、案在测量阻值比较小的电阻时其阻容时间常数也比较小，微小的时间使得单片机难以处理，计算也比较繁琐。 当阻值较大时电阻阻值的时间常数的线性度很差，其计算的结果误差也很大，基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 2 所以使得电阻测量的范围很小。 方案二 :电阻分压法。该方案易于实现且原理比较简单，从理论上说只要给定精确的参考电阻，就能够以基准电阻测量任何大小的电阻阻值。在测量中被测电阻分压的电压值通过伏频转换芯片 ADVFC32 把电压转换频率送往单片机 计数 。这样使得测量过程比较方便，其结果比较精确，测量的范围也比较广。 R0RxF O7GND11CMPR IN10IN-1I
15、N+14V O13NC2COS5V-4V+12NC6NC3NC8NC9U?VFC32KPfxUxU0GND10V图 2.1 电阻分压测量电阻电路 Figure 2.1 The resistor voltage divider resistance measurement circuit 如图 2.1,用稳定的电源 Vcc 把基准电阻 R0与被测电阻 RX 串联在电路中。由于串联电路电阻有分压的作用，根据电路电阻分压的公式 3： 00 URR RU X XX (2.2) 与已知的参考电阻就可以测量出 XR 阻值。 方案三：伏安法 4。它的测 量原理来源于阻抗的定义，即若已知流经被测阻抗的电流相量
16、并测得被测阻抗两端的电压，通过比率便可得到被测阻抗的相量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算。 综合考虑 以上方案 ，本设计采用方案二，用电阻分压 法 测量电阻 。 2.2.2 电容测量方案选择 方案一：利用 “脉冲计数法” 原理，通过采用 RC 与 NE555 定时器组成的多谐振荡电路，固定准确的参考电阻，然后通过测量振荡输出的频率就可以测出电容的 电容值大小 。 此方案硬件电路结构简单容易实现，而且测量的电容容值范围也比较广 ，同时该多谐振荡电路输出是频率的值。单片机可以对其输出频率直接进行计数。 方案二：电桥法 5：具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。
17、但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。 玉林师范 学院本科生毕业设计 3 综合考虑 以上方案 ，本设计采用方案一，用 NE555 构建 RC 多谐振荡电路测量电容。 2.2.3 电感测量方案选择 方案一 :利用电桥平衡法测量电感 6。用待测电感和已知标准电阻、电容组成电桥。单片机调节电阻参数使电桥平衡，此时，电感的大小由电阻和电桥的本征频率即可求得，然后由电桥的计算公式求出被测 电感。该方案测量的电感比较准确，但该方案电路复杂，实现起来比较困难。 方案二 :采用电容三点式振荡电路来实现 7。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，
18、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，称为电容三点式电路。该电路测量简单、方便，准确度高。 综合考虑 以上方案 ，本设计采用方案二， LC 和三极管构成三点式振荡电路测电感。 2.2.4 单片机方案选择 方案一：采用 FPGA 作为系统控制器。 FPGA 功能强大，可实现各种复杂的逻辑功能，规 模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，可以减少体积，提高稳定性，并且可用 EDA 软件仿真 8、调试，易于进行功能扩展，但成本高。由于本设计对数据的处理速度本不高， FPGA 的高速处理优势得不到充分体现，且 硬件电路复杂 。 方案二：采用 AT89S
19、52 单片机 9作为控制器。该单片机算术运算功能较强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑功能。本身带有定时 /计数器，可以用来定时、计数，并且具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。但是测量频率只有 500k，达不到系统对频率测量的要求。 方案三 ：采用 ATmega128L单片机作为系统的主控单片机 10。 ATmega128L单片机速度快，系统运行非常稳定。它能够测量频率在 2M以内的方波脉冲，满足了本系统对频率测量的要求，同时 该单片机算术运算功能强大，编程采用的 是 精简指令集，低功耗，而且 I/O口的电流 也能够直接驱动继电器。 综合考虑 以上方案 ，本设计采
20、用方案三，用 ATmega128L 单片机做控制器 。 2.2.5 显示模块方案选择 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 4 方案 一 ：采用数码管显示。数码管具有寿命长，耐老化，对外界环境要求低 等优点 。但 LED八度数码管引脚排列不规则，动态显示时要加驱 动电路，硬件电路复杂。 方案二：采用带有字库的 12864液晶显示屏。 12864液晶显示屏（ LCD）具有功耗低、轻薄短小无辐射危险，平面显示及影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强 等优点 。同时， 12864带有字库，编程容易，且具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式，增加可读性，降低功
21、耗。 综合考虑 以上方案 ，本设计采用方案二，用 12864 液晶显示 。 2.2.6 量程切换模块方案的选择 方案一：采用拨码开关进行量程切换。拨码开关体积小，使用简单，但是必须采用手动才能进行量程切换，不能自动切换量程 ，测量时显得比较麻烦。 方案二：采用 HRS1H-S-DC5V 继电器作为量程切换模块。该继电器体积较小，使用简单， ATmega128L 单片机能够直接驱动，不需要再加三极管进行电流放大，实现了自动切换量程。 综合考虑以上方案，为了能够实现自动测量，设计选择方案二，采用继电器作为量程切换模块。 3主要器件介绍 3.1 ATmega128L单片机的介绍 ATmega128L单片机引脚如图 3.1所示： 图 3.1 ATmega128L 引脚图 Figure3.1 The ATmega128L Pin Figure
