基于单片机的多参数测量仪设计

本文给出了一种由单片机MSP430F149和部分外围电路来构成多参数测量仪的设计方案。详细介绍了测量RLC、频率及相位差的具体方法，同时给出了硬件电路和软件程序框图。

引言

现在常用的仪表一般还是传统的模拟式仪表，漂移大，程控性能不好，而有些仪表功能过于单一，不能满足实际需求。为此，本文考虑到实际的科研实验需要，给出了一种可同时测量RLC、频率及相位差的测量仪的设计方法。

1 系统组成与硬件电路设计

1.1 系统组成

该仪器包括信号产生与接收模块、信号的放大整形滤波处理模块、单片机中央处理器、显示模块LCD12864和外部按键控制模块等几个部分，其系统组成结构框图如图1所示。

本系统以单片机MSP430F149为处理器，主要用于整个系统的信号采集、输入输出控制和数据处理。系统中的信号来源有两个：一是内部信号源产生的信号，二是由外部接口输入信号。这些信号先经放大整形电路进行处理，并由滤波电路滤波，之后送人到单片机，最后经单片机运算处理，并输出显示。

1.2 MSP430F149芯片简介

依据系统总体设计思路，该装置选用MSP430F149作为整个系统的控制中心，MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，它具有16位RISC结构和丰富的寻址方式，同时集成了较丰富的片内外设。本系统就是利用其内部自带的12位ADC来实现模拟信号的采集，其最高转换速率可达382ksps，能满足大多数数据采集的应用要求;并且其内部具有16位的定时器，可利用其定时器A、B的捕获功能来捕获一定频率的方波信号，而且具有相当高的精度。同时，利用此功能还可以实现对输入信号的频率和周期的计算。

1.3 系统工作原理

对电容、电阻进行测量的基本原理是利用RC振荡，具体做法是用电容三点式振荡电路与555电路构成多谐振荡电路，并产生一定的频率，然后通过测量频率信号得出电容和电阻的信息。图2所示是其555振荡电路。

555的内部时基电路与电容C1及外接的电阻R1、R2构成的无稳态振荡电路的振荡频率范围可达0.001Hz～500kHz。当C1的电容量或电阻值R1、R2相应变化时，555电路输出的测量脉冲的宽度和频率也会发生变化。其中测量电阻时，可将R2替换为被测电阻，即R2=Rx，以使C1与R1处于一个一定的已知量值上，此时的输出频率计算公式为：

测量电容时，可将C1替换为被测电容，即C1=Cx，R1与R2设定为固定量值且相等，此时输出频率的计算公式为：

由于输出的频率变化与外部接入的量值成比。因此，在电路中只要正确地选择电阻的阻值与电容的容值，就可以得到适合测量所需要的脉冲宽度与脉冲频率。电感测量主要利用电感的感抗原理。即将被测电感串联于一定频率的交流恒压源中，然后测量该电感两端的电压，从而得出电感的感抗，即间接测出电感的电感量，其电感测量电路如图3所示。

利用图3所示电路可由文氏电桥正弦波振荡器产生一定频率的正弦波，图3中由运放U8A及外围电阻和电容构成文氏电桥，其输出频率的理论值为f=1/(2πRC)，在电源电压不变的条件下，该振荡器具有稳定的频率及振幅。且正弦波输出后，经电压跟随器驱动，即可作为电感表的信号源。信号源可输出到Rx(档位电阻)与Lx(被测电感)的串联电路中，此时电感产生的感抗为：ZL=2πfL。根据分压原理，在已知电压和已经选好已知值的Rx时，如果测出了电感两端的交流电压，由于电感感抗与电感量成正比，因而就可得出电感量。该交流电压经U8C运放与外围电阻组成的放大电路放大后，再经带通滤波器滤波，最后经线性整流器整形后即可转换为直流电压送入单片机。单片机经AD采样可得到该直流电压，再经计算得到电感量。

在电感测量时，根据量程的不同可分为5个档。将被测电感Lx接入电路中后，通过输入电压大小的判断，可由单片机向模拟开关发送控制信号以选择档位。

频率测量可利用单片机的捕获功能，外部输入的信号经过整形放大滤波分频等处理后，可将输出的方波信号送入单片机，图4所示是其频率测量电路。事实上，当一定频率的信号从IN端输入电路中时，经二极管限幅，再经RC滤波，然后送入到由LM358运放构成的比较器中，即可输出方波信号。该方波信号经74HC14整形，再经74HC393分频，最后可输入到单片机中。该测量电路中利用74HC393分频的目的在于，如果输入信号的频率过高，则单片机无法准确快速地捕获到该信号，因此，可通过分频减少高频信号的测量误差，同时提高测量的实际可行性。

相位差测量的基本原理是基于频率信号的测量。它可将不同相位的信号整形为方波信号送入单片机，这样就可将相位差的测量转变为求方波的脉宽，图5所示是其相位差测量电路。