【正文】 ..................24鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀01 引言目前，單片機技術 [1]在智能化測量儀表 [2]中得到了越來越廣泛的應用，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。本文設計的 RLC 測量儀是將電子元件的參數(shù)通過測量電路轉換成頻率的值，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，經過軟件設計實現(xiàn)測量儀的測量功能。2 任務介紹與方案論證 任務介紹 任務要求有：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。 電阻測量的要求范圍為 100Ω~1MΩ 精度為177。5 ％；電感測量要求范圍為 100μH~10mH 精度為177。 電阻測量方案選擇方案一：利用 RC 充電原理測電阻。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，計算玉林師范學院本科生畢業(yè)設計1也比較繁瑣。方案二:電阻分壓法。在測量中被測電阻分壓的電壓值通過伏頻轉換芯片 ADVFC32 把電壓轉換頻率送往單片機計數(shù)。 R0xFO7GNDCMPI+4V32S5689U?Kf圖 電阻分壓測量電阻電路Figure The resistor voltage divider resistance measurement circuit 如圖 ,用穩(wěn)定的電源 Vcc 把基準電阻 R0與被測電阻 RX 串聯(lián)在電路中。 R方案三：伏安法 [4]。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。 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。單片機可以對其輸出頻率直接進行計數(shù)。但電橋法測量需要反復進行平衡調節(jié)，測量時間長，很難實現(xiàn)快速的自動測量。 電感測量方案選擇方案一:利用電橋平衡法測量電感 [6]。單片機調節(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。方案二:采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn) [7]。該電路測量簡單、方便，準確度高。 單片機方案選擇方案一：采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制器。由于本設計對數(shù)據的處理速度本不高，F(xiàn)PGA 的高速處理優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，且硬件電路復雜。該單片機算術運算功能較強，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。但是測量頻率只有 500k，達不到系統(tǒng)對頻率測量的要求。ATmega128L 單片機速度快，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定。綜合考慮以上方案，本設計采用方案三，用 ATmega128L 單片機做控制器。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。方案二：采用帶有字庫的12864液晶顯示屏。同時，12864帶有字庫，編程容易，且具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式，增加可讀性，降低功耗。 量程切換模塊方案的選擇方案一：采用撥碼開關進行量程切換。方案二：采用 HRS1HSDC5V 繼電器作為量程切換模塊。綜合考慮以上方案，為了能夠實現(xiàn)自動測量，設計選擇方案二，采用繼電器作為量程切換模塊。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。所有的寄存器都直接與算術邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。 ATmega128L具有如下特點：128K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程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)、具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、 JTAG測試接口( 此接口同時還可以用于片上調試)，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。12864液晶顯示模塊是12864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 電壓驅動，帶背光，內置8192個16 16點陣， 128個字符及 64256點陣顯示RAM 。利用12864顯示模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。具有良好的線性度，滿度時的頻率范圍為0~500KHz。用相同的外圍電路亦可以完成頻率到電壓的轉換，加入一個簡單的偏置網絡就可以調節(jié)輸入邏輯電平的范圍。該芯片的基本外圍電路連接方法如圖 (b)： （a） （b） 圖 ADVFC32 管腳圖和外圍電路Figure feet ADVFC32 tube map and peripheral circuit OP07 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。OP07 同時具有輸入偏置電流低（OP07A 為177。管腳圖如圖 所示： 圖 OP07 管腳圖Figure feet 0P07 tube map 555 電路的結構組成和工作原理NE555 集成電路開始是作定時器應用的，所以叫做 555 定時器。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、玉林師范學院本科生畢業(yè)設計7脈沖調制等。電路組成及其引腳如圖 ： 圖 電路組成及其引腳Figure The circuit ponents and pin OPA820 芯片介紹OPA820 為常見的運算放大器，單位增益穩(wěn)定，OPA820 的輸入失調電壓，噪聲，等指標都很小，適合放大小信號。OPA820 的管腳圖如 所示： 圖 OPA820 芯片管腳 Figure The OPA820 chip pins TLV3502 芯片介紹TLV3502 為雙通道高速比較器，功能快速，在 ns 可以完成傳播延遲和操作過程。該比較器輸入（幾乎沒有噪音豁免的范圍內）指定的偏移電壓(177。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個開關作為輸入信號，通過比較開關閾值，比較器輸出高或低電平。在某些情況下更大的噪音免疫力，是理想的。玉林師范學院本科生畢業(yè)設計9圖 系統(tǒng)原理框圖Figure The system principle diagram ATmega128L單片機電路圖的設計圖 中，主要包括 ATmega128L 單片機、JTAG 下載電路、ISP 下載電路、復位電路、時鐘電路、液晶顯示電路，獨立按鍵電路，流水燈電路等。鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀10 ATmega128L單片機電路圖 The circuit diagram of ATmega128L MCU由于電阻范圍較廣，常用電阻的范圍是 1Ω~10MΩ，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。為提高測量精度，電阻測量電路中使用了 ADVFC32 伏頻轉換芯片，利用精密電阻搭成的電阻網絡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） 。玉林師范學院本科生畢業(yè)設計11圖 電阻測量原理圖Figure The resistance measurement principle diagram圖 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)關系，當 RRX 發(fā)生改變時，R RX 兩端電壓 就會發(fā)生變化。相關計算如下 [12]：xf ()0URx???xxUR??0其中 是已知電壓， 。由（）式和（）式可知，只要知道 ，便可以求出被測電xf阻 的值。其振蕩周期為 [13]： ()CRT)2)(ln121???，R C1與R CR C3與 RCR C5與R CR C7與R C8的阻值相等，分別組成四個不同的量程。圖 電容測量電路原理圖Figure The capacitance measurement circuit principle diagram由電容和電感構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，它們之間的關系為 [14]：玉林師范學院本科生畢業(yè)設計13LCF?21?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。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。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。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。繼電器的原理是當單片機給一個高電平時，繼電器閉合，這時繼電器就相當于導線，當為低電平時，繼電器處于斷開狀態(tài)。5V，177。首先通過一個變壓器將 220V 市電變成18V 的交流電，經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。其次，焊接和布線對電源質量也有很大關系。布線時，盡量避免粗導線交叉，不同電源之間的導線應留有一定距離，盡量將線間干擾降到最低。鍵盤電路是一個很典型的 44 矩陣鍵盤電路。鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀16 鍵盤電路原理圖Figure The keyboard circuit principle diagram5系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)程序設計主要包括按鍵掃描、系統(tǒng)測量、液晶顯示等。在電阻和電容測量電路中為提高測量精度都設有多個不同的測量量程。電感測量時，不需要進行量程換擋，單片機直接根據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試，最后把數(shù)據輸出顯示在液晶上。在硬件調試中采用了分模塊調式方法進行調試。單片機控制電路調試：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 可能就驅動不了繼電器。液晶顯示電路調試：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。繼電器驅動模塊調式：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。 測量電路模塊調試：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試成功，然后再換到另一個量程測試，依次類推下去。首先調試液晶顯示模塊，接著調試按鍵掃描程序，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） ，最后調試驗證是否有頻率輸出顯示在液晶上。如果上述調試都成功，那本設計的軟件調試就成功完成了。 電阻測試數(shù)據表 所示數(shù)據是通過標準數(shù)字電橋測量的電阻值與本系統(tǒng)測量的電阻值對比。但是，主要誤差是電源質量和標準元件的精度造成的，為了克服這個問題，就要采取多種措施來減小誤差。經過求平均值后，系統(tǒng)的誤差得到有效的降低。量程自動轉換等功能又使這個測量儀表具有較高的智能化水平。這也是今后需進一步完善的地方。在畢業(yè)設計的階段，首先非常感謝我的指導老師***老師為我的畢業(yè)設計給予很大的幫助，在畢業(yè)設計選題的時候為我提供很好的畢業(yè)設計方案并做出詳細的講解，在我的畢業(yè)設計過程中給予耐心輔導和認真的監(jiān)督。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。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。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。 鄭勇 基于 ATmega128L 單片機的數(shù)字式 RLC 測量儀22參考文獻[1] 何嘉揚, : 中國電力出版社,2022. [2] 李勇. 淺談智能化測量儀器儀表中的設計理念[J]. 硅谷, 2022, 6: 20. [3] 古天祥等，電子測量原理[M]，北京，機械工業(yè)出版社，.[4] 吳治隆. 電路分析基礎[M] .重慶大學出版社, .[5] 楊龍麟，電子測量技術[M].重慶大學出版社，2022.[6] [6] 高吉祥主編 .全國大學生電子設計競賽培訓系列教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，. [7] 楊素行 .模擬電子技術基礎簡明教程（第二版