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 (1)1.1 测量方案的论证与选择 (1)1.2 LCR切换模块的论证与选择 (1)1.3 控制系统的论证与选择 (2)2系统理论分析与计算 (4)2.1 LCR值转频率的电路分析 (4)2.1.1 RC值转频率的电路 (4)2.1.2 L值转频率的电路 (4)2.2 LCR值转频率的计算 (4)2.2.1 电阻转频率的计算公式 (5)2.2.2 电容转频率的计算公式 (5)2.2.3 电感转频率的计算公式 (5)3电路与程序设计 (5)3.1电路的设计 (5)3.1.1系统总体框图 (5)3.1.2 R值转频率电路原理图 (6)3.1.3 C值转频率电路原理图 (7)3.1.4 L值转频率电路原理图 (7)3.1.5电源 (8)3.2程序的设计 (8)3.2.1程序功能描述与设计思路 (8)3.2.2程序流程图 (8)4测试方案与测试结果 (9)4.1测试方案 (9)4.2 测试条件与仪器 (9)4.3 测试结果及分析 (9)4.3.1测试结果(数据) (9)4.3.2测试分析与结论 (11)附录1：电路原理图 (12)附录2：源程序 (16)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()()12n x j j n x Z Z e Z Z e ϕϕϕϕ⋅+⋅+⋅⋅=⋅⋅ 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。

1.2 R,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。

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ARM Cortex-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·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。

2系统理论分析与计算2.1 LCR 值转频率电路的分析2.1.1 RC 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t PH≈0.693×（R1+R2）×C1t PL≈0.693×R2×C1振荡周期T 和振荡频率f 分别为T=t PH+t PL≈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，C 4 C 5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：2f LCπ=，其中 C 为C1C2串联容值 则电感的感抗为2214L f Cπ=2.2 LCR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：3.1.2 LCR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：4、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：3.1.4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键切换单位和按键复位功能。

3.2.2程序流程图1、主程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试LCR测试方法：通过使用LCR测试仪，测量出较精确的LCR值，然后通过示波器读出所显示方波的频率，由此通过公式反推出LCR的理论值，再与实际测量的LCR值比对，调整参数。

2、软件仿真测试通过信号发生器连接单片机，通过液晶屏读取频率值。

3、硬件软件联调通过硬件组装，通过按键切换，用液晶屏显示理论值，与硬件测试时的理论值与实际值进行比对，记录数值，调整参数。

4.2 测试条件与仪器测试条件：仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：示波器，数字万用表，LCR测试仪。

4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)通过LCR测量的R值数据及通过液晶屏显示的频率数据：通过公式算出的理论值及理论值与实际值的误差通过excel图象拟合数据：4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、电阻的测量值与实际值的误差能控制在1%以内2、3、综上所述，本设计达到设计要求。

附录1：电路原理图一．测R的RC振荡电路：X二．测Cx的RC的振荡电路：三．测量Lx的电容三点式振荡电路：过零比较电路：四．部分仿真电路：多谐振荡电路：电容三点式振荡电路及方波变换电路：五．继电器部分切换电路：附录2：源程序#include"LCD1602.h"#include <stdio.h>#include <math.h>#include <intrins.h>#define k 830016036sbit keyR=P2^5;sbit keyC=P2^4;sbit keyL=P2^3;sbit testR=P1^0;sbit testC=P1^1;sbit testL=P1^2;sbit R_large=P1^3;sbit R_small=P1^4;sbit C_large=P1^5;sbit C_small=P1^6;sbit counter=P3^4;sbit timer=P3^5;sbit flag=P3^2;sbit reset=P3^3;uchar idata f_display[20];uchar idata display_lcd[20];uint flag_rcl;uint flag_danwei;uint flag_reset;uint timer_yichu=0,counter_yichu=0; uint fenpin_rate,m,n,f_L;void init(void);void keypress(void);void cepin(void);void display(float f);void panduan(void);void main(){lcd_init();init();write_string(1,0,"designed by ");write_string(1,1,"three calves");delay_ms(1000);clear_screen();while(1){ clear_screen();flag_reset=0;write_string(1,1,"waiting...");while(1){keypress();panduan();if (flag_reset==1)break;}}}void init(void)//初始化{TMOD=0x15; //T1定时器，T0计数器TH1=0x3c; //定时50ms TL1=0xb0;TH0=0;TL0=0;IT0=1;//外部中断下跳沿触发IT1=1;//外部中断下跳沿触发ET1=1;ET0=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;TR1=1;TR0=1;PT0=1;//计数器中断优先flag_rcl=0;flag_danwei=0;flag_reset=0;}void keypress(void){while(1){if(keyR==0){testR=1;testC=0;testL=0;flag_rcl=1;}else if(keyC==0){delay_ms(5);if(keyC==0){testR=0;testC=1;testL=0;flag_rcl=2;}while(keyC==0);}else if(keyL==0){delay_ms(5);if(keyL==0){testR=0;testC=0;testL=1;flag_rcl=3;}while(keyR==0);}if (flag_rcl!=0)break;}}void panduan(void){if (flag_rcl==0); if(flag_rcl==1){cepin();}else if(flag_rcl==2) {cepin();}else if(flag_rcl==3) {cepin();}}void cepin(void){unsigned long f_test;timer_yichu=0;counter_yichu=0;TMOD=0x15;TH1=0x3c; //初始50msTL1=0xb0;TH0=0;TL0=0;TCON=0x50;while(timer_yichu!=20);TCON=0;f_test=TH0*256+counter_yichu*65536+TL0;display(f_test);}void display(float f)//液晶屏显示函数{float vlaue_r0;float value_r;float value_c;float value_l;clear_screen();if(f>1000000.00)sprintf(f_display,"Freq:%2.4fMhz",(f/1000000.00));else if(f>1000.00)sprintf(f_display,"Freq:%4.2fKhz",(f/1000.00)); else sprintf(f_display,"Freq:%3.2fhz",f);write_string(0,0,f_display);if (flag_rcl==1)//R{vlaue_r0=138720677/f-326.4;if(vlaue_r0<300)value_r=0.8882*vlaue_r0+14.887;else if((vlaue_r0>300)&&(vlaue_r0<500))value_r=0.9232*vlaue_r0+8.3454;else if((vlaue_r0>500)&&(vlaue_r0<1000))value_r=1.0497*vlaue_r0-55.115;else if((vlaue_r0>1000)&&(vlaue_r0<5000))value_r=1.0747*vlaue_r0-69.451;else if((vlaue_r0>5000)&&(vlaue_r0<10000))value_r=1.0698*vlaue_r0-17.569;elsevalue_r=1.0471*vlaue_r0+29.594;if(flag_danwei==0)sprintf(display_lcd,"R:%4.5f o",value_r); //需要修改if(flag_danwei==1)sprintf(display_lcd,"R:%4.5fKo",value_r/1000);if(flag_danwei==2)sprintf(display_lcd,"R:%4.5fMo",value_r/1000000);}if (flag_rcl==2)//C{value_c=0.00050037/f;if(flag_danwei==0)sprintf(display_lcd,"C:%4.2f F",value_c/1000000); //需要修改if(flag_danwei==1)sprintf(display_lcd,"C:%4.2f pF",value_c);if(flag_danwei==2)sprintf(display_lcd,"C:%4.2f uf ",value_c*1000000);}if (flag_rcl==3)//L{value_l= 600782/(f*f) ;//电感公式sprintf(display_lcd,"L:%4.2f mH ",value_l*1000);//需要修改}write_string(0,1,display_lcd);}void timer1(void) interrupt 3 //定时器服务函数{timer_yichu++;TH1=0x3c; //重装载50msTL1=0xb0;}void counter0(void)interrupt 1 //计数器服务函数{counter_yichu++;TH0=0;TL0=0;}void int0(void)interrupt 0 //外部中断切换单位服务函数{delay_ms(5);//软件消抖if(flag == 0){flag_danwei++;while( !flag);//松手检测}if (flag_danwei==3)flag_danwei=0;}void int1(void)interrupt 2//外部中断reset{delay_ms(5);//软件消抖if(reset== 0){flag_reset=1;flag_rcl=0;while( !reset);//松手检测}}0.0005049155。