基于單片機的多參數測量儀設計

本文給出了一種由單片機MSP430F149和部分外圍電路來構成多參數測量儀的設計方案。詳細介紹了測量RLC、頻率及相位差的具體方法，同時給出了硬件電路和軟件程序框圖。

　　引言

　　現在常用的儀表一般還是傳統的模擬式儀表，漂移大，程控性能不好，而有些儀表功能過于單一，不能滿足實際需求。為此，本文考慮到實際的科研實驗需要，給出了一種可同時測量RLC、頻率及相位差的測量儀的設計方法。

　　1 系統組成與硬件電路設計

　　1.1 系統組成

　　該儀器包括信號產生與接收模塊、信號的放大整形濾波處理模塊、單片機中央處理器、顯示模塊LCD12864和外部按鍵控制模塊等幾個部分，其系統組成結構框圖如圖1所示。

　　本系統以單片機MSP430F149為處理器，主要用于整個系統的信號采集、輸入輸出控制和數據處理。系統中的信號來源有兩個：一是內部信號源產生的信號，二是由外部接口輸入信號。這些信號先經放大整形電路進行處理，并由濾波電路濾波，之后送人到單片機，最后經單片機運算處理，并輸出顯示。

　　1.2 MSP430F149芯片簡介

　　依據系統總體設計思路，該裝置選用MSP430F149作為整個系統的控制中心，MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，它具有16位RISC結構和豐富的尋址方式，同時集成了較豐富的片內外設。本系統就是利用其內部自帶的12位ADC來實現模擬信號的采集，其最高轉換速率可達382ksps，能滿足大多數數據采集的應用要求;并且其內部具有16位的定時器，可利用其定時器A、B的捕獲功能來捕獲一定頻率的方波信號，而且具有相當高的精度。同時，利用此功能還可以實現對輸入信號的頻率和周期的計算。

　　1.3 系統工作原理

　　對電容、電阻進行測量的基本原理是利用RC振蕩，具體做法是用電容三點式振蕩電路與555電路構成多諧振蕩電路，并產生一定的頻率，然后通過測量頻率信號得出電容和電阻的信息。圖2所示是其555振蕩電路。

　　555的內部時基電路與電容C1及外接的電阻R1、R2構成的無穩態振蕩電路的振蕩頻率范圍可達0.001Hz～500kHz。當C1的電容量或電阻值R1、R2相應變化時，555電路輸出的測量脈沖的寬度和頻率也會發生變化。其中測量電阻時，可將R2替換為被測電阻，即R2=Rx，以使C1與R1處于一個一定的已知量值上，此時的輸出頻率計算公式為：

　　測量電容時，可將C1替換為被測電容，即C1=Cx，R1與R2設定為固定量值且相等，此時輸出頻率的計算公式為：

　　由于輸出的頻率變化與外部接入的量值成比。因此，在電路中只要正確地選擇電阻的阻值與電容的容值，就可以得到適合測量所需要的脈沖寬度與脈沖頻率。