基于atmega128l单片机的数字式rlc测量仪毕业论文

基于atmega128l单片机的数字式rlc测量仪毕业论文内容摘要：

玉林师范学院本科生毕业设计 5 ATmega128L[11]8位微控制器是 ATMEL推出的 AVR单片机中的高档产品，具有高速低功耗、超强功能、精简指令的特点，能够同时读、写。 在执行指令的同时，通过SPI、 UART或两线接口对快闪存储器进行编程或重新编程。 AVR内核具有丰富的指令集和 32个通用工作寄存器。 所有的寄存器都直接与算 术逻 辑 单元 (ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高 10倍的数据吞吐率。 ATmega128L具有如下特点： 128K字节 的系统内可编程 Flash( 具有在写的过程中还可以读的能力，即 RWW)、 4K字节的 EEPROM、 4K字节的 SRAM、 53个通用 I/O口线、 32个通用工作寄存器、实时时钟 RTC、 4个灵活的具有比较模式和 PWM功能的定时器计数器 (T/C)、两个 USART、面向字节的两线接口 TWI、 8通道 10位 ADC( 具有可选的可编程增益 )、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、 SPI串行端口、与 JTAG测试接口 ( 此接口同时还可以用于片上调试 )，以及六种可以通过软件选择的省电模式。 空闲模式时 CPU停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态； ADC噪声抑制模式时CPU和所有的 I/O模块停止运行，而异步定时器和 ADC继续工作，以减少 ADC转换时的开关噪声； Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。 12864液晶显示模块是 12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，该系统 所 用 的 12864液晶使用 ST7920控制器， 5V电压驱动，带背光，内置 8192个 1616点阵， 128个字符及 64256点阵显示 RAM。 带中文字库的 LCD12864每屏可显示 4行 8列共 32个 1616点阵的汉字，每个显示 RAM可显示 1个中文字符或 2个 168点阵ASCII码字符，即每屏最多可实现 32个中文字符或 64个 ASCII码字符的显示 ,与外部CPU接口采用并行 的 控制方式。 利用 12864显示 模块 灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 表 ： 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 6 表 12864LCD管脚功能 Table 12864 LCD tube foot function 名称 型态 电平 功能描述 Vcc I 模块电源输入 GND I 模块电源输入 V0 I 电源地 Vee I 对比度调节 PSB I H/L 液晶驱动电压输入 RST I H/L 并口 /串口选择 :H 并口； L 串口 RS I H/L 寄存器选择： H 数据； L 指令 R/W I H/L 读写选择： H 读； L 写 EN I H/L 使能信号 DB0DB3 I/O H/L 数据总线低四位 DB4DB7 I/O H/L 数据总线高四位 LEDA I 背光正 LEDK I 背光负 ADVFC32压频简介 图 (a)所示为 ADVFC32 芯片的管脚图， ADVFC32 是一种电压 /频率转换器和频率 /电压转换器的综合器件。 具有良好的线性度，满度时的频率范围为 0~500KHz。 输入正电压或者负电压就可以转换输出相应比例的频率，这个过程只需要很少的外围电路就可以完成。 用相同的外围电路亦可以完成频率到电压的转换，加入一个简单的偏置网络就可以调节输入逻辑电平的范围。 ADVFC32 工作于电压 /频率转换器模式时。 该芯片的基本外围电路连接方法如图 (b)： （ a） （ b） 图 ADVFC32 管脚图和外围电路 Figure feet ADVFC32 tube map and peripheral circuit 玉林师范学院本科生毕业设计 7 OP07 芯片的简介 OP07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。 由于 OP07具有非常低的输入失调电压（ OP07A 最大为 25μV），所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。 OP07 同时具有输入偏置电流低（ OP07A 为 177。 2nA）和开环增益高（ OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 管脚图如 图 所示： 图 OP07 管脚图 Figure feet 0P07 tube map 555 电路的结构组成和工作原理 NE555 集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器。 但后来经过开发，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。 此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。 由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中， 555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本 RS 触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。 电路组成及其引脚如图： 图 电路组成及其引脚 Figure The circuit ponents and pin 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 8 OPA820 芯片介绍 OPA820 为 常见的运算放大器，单位增益稳定， OPA820 的输入失调电压，噪声，等指标 都 很小，适合放大小信号。 运算放大器一般可简单地视为：具有一个信号输出端口（ out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。 OPA820 的管脚图如 所示： 图 OPA820 芯片管脚 Figure The OPA820 chip pins TLV3502 芯片介绍 TLV3502 为双通道高速比较器，功能快速 ， 在 ns 可以完成传播延迟和操作过程。 本设计的作品的电源电压分别为 V+=+5v， V=5v。 该比较器输入（几乎没有噪音豁免的范围内）指定的偏移电压 (177。 5 mv)。 对于缓慢移动或嘈杂的输入信号，多个开关作为输入信号，通过比较开关阈值，比较器输出高或低电平。 在这样的应用程序，6 mv 的内部磁滞的 TLV3502 可能是不充分的。 在某些情况下更大的噪音免疫力， 是理想的。 管脚图如 所示： 图 TLV3502 芯片管脚 Figure The TLV3502 chip pins 玉林师范学院本科生毕业设计 9 4硬件电路介绍 本设计的原理框架如下图 所示，系统以 ATmega128L 单片机为控制核心， 用RLC 测量电路、继电器自动换挡电路和 12864 液晶 显示 电路实现了 对电阻、电感、电容的 测量。 图 系统原理框图 Figure The system principle diagram ATmega128L单片 机电路图的设计 图 中，主要包括 ATmega128L 单片机、 JTAG 下载电路、 ISP 下载电路、复位电路、时钟电路、液晶显示电路 ，独立按键电路，流水灯电路 等。 使用 ICCAVR软件对 ATmega128L 单片机进行编程操作，实现频率测量、量程切换、控制 12864液晶屏等功能。 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 10 图 ATmega128L单片机电路图 The circuit diagram of ATmega128L MCU 由于电阻范围较广，常用电阻的范围是 1Ω~10MΩ，所以采用电阻分压法测量电阻的时候需要分为多个测量量程。 每个测量量程都用一个合适的精密电阻 作 为参考电阻。 为提高测量精度，电阻测量电路中使用了 ADVFC32 伏频转换芯片，利用精密电阻搭成的电阻网络将被测电阻阻值的变化量分为 0~9(V)的电压变化，该电压经过运算放大器 OP07 跟随后接入 ADVFC32 的电压控制端， ADVFC32 会输出一个频率随输入电压线性变化的脉冲波，脉冲波频率的范围是 0~38（ KHz）。 最后通过单片机 的计数器计算出具体频率值，根据 ADVFC32 的输入电压和输出频率之间的线性关系 ,还 有精密电阻 的 分压比 就 可以求出待测电阻的阻值。 玉林师范学院本科生毕业设计 11 图 电阻测量原理图 Figure The re sistance measurement principle diagram 图 所示电路为电阻测量原理图，由原理图可以看出，被测电阻 RRX 和已知电阻 RRB是串联关系，当 RRX 发生改变时， RRX 两端电压 xU 就会发生变化。 然而实际电路中我们要把 xU 经过 OP07运算放大器跟随后再输入到压频变换芯片 ADVFC32的电压控制端，然后 ADVFC32 频率输出端会产生频率 xf 与输入电压呈线性关系的方波脉冲， xf 可以通过频率计数器和单片机得到。 相关计算如下 [12]： 00 URRRUxxx   xxx UU RUR 00 () 其中 0U 是已知电压， VU 100 。 3800010 xx fU   3800010 xx fU  () 其中 10 是 ADVFC32 电压控制端的电压满刻度值 ， 38000 是满电压值对应的输出频率满刻度值。 由（ ）式和（ ）式可知，只要知道 xf ， 便可以求出被测电阻 xR的值。 郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 12 由一个 555电路构成的多谐振荡器电路。 其振荡周期为 [13]： CRRTTT )2)(2( ln 2121  () 图 ， RC1与 RC RC3与 RC RC5与 RC RC7与 RC8的阻值相等，分别组成 四 个不同的量程。 单片机控制继电器选择不同的电阻配对，可得到不同的量程，再将多谐振荡器的输出波形接到单片机的频率测量端口，就能够测量出振荡器的输出波形的频率，通过式 CRf 1)2(ln3 1 () 可以计算出待测电容值。 图 电容测量电路原理图 Figure The capacitance measurement circuit principle diagram 由电容和电感构成电容三点式振荡器，而 振 荡频率只和电容值和电感值有关，它们之间的关系为 [14]： 玉林师范学院本科生毕业设计 13 LCF 2 1 利用这个公式，只 须 令 C已知，通过测量 F就 可以求出 L的值。 如图 ， 在电容三点式振荡器中， C C2 分别采用 1000pF和 1000pF的独石电容，其电容值远远大于晶体管极间电容，所以极间电容可以忽略。 电路的稳定性主要取决于电容，在此电路中采用性能较好的独石电容，这样使得电路的误差精度可以保持在 5％以内。 由标称元件和对应的待测元件组成的振荡回路会 振 荡出频率稳定的正弦波，该正弦波经过放大器 OPA820和比较器 TLV3502之后会产生相应频率的方波脉冲。 接下来通过ATmega128L单片机测频就可以实现对电感元件的测量。 图 电感测量电 路原理图 Figure The inductance measurement circuit principle diagram 继电器自动换挡电路 本系统中采用 HRS1HSDC5V 继电器作为量程切换模块。 该继电器体积较小，郑勇 基于 ATmega128L 单片机的数字式 RLC 测量仪 14 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，能实现自动切换量程的功能。 该原理图由 14 个继电器组成， 3 个继电器进行电阻的自动换挡测量， 8 个对电容进行自动换挡测量，余下的对电子元件类型进行自动换挡测量。 继电器的原理是当单片机给一个高电平时 ，继电器闭合，这时继电器就相当于导。