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。