基于AVR单片机与LCD的LC(电容电感)测试仪设计毕业设计(论文)

摘 要

随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来。在应用中我们常常要测定电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。

本测试仪的主控制器采用Mega16单片机，其集成度高，片内资源丰富。在系统硬件设计中，以Mega16单片机为核心的电容、电感测试仪，通过使用对应振荡电路的频率实现各个参数的测量。硬件电路主要包括主控制器，LM311震荡电路和显示电路。

通过该LC测试仪的设计，本人基本了解和掌握了怎样运用单片机硬件和软件技术来完成一些小设计。对于本人来说，如果今后从事相关技术的工作，这将是一次极为宝贵的经验。

关键词：AVR单片机，Mega16,LM311振荡电路，LC测试仪

Abstract

With the development of electronic industry, electronic components rapidly increased, and the scope of electronic components was becoming wide gradually. In applications we often need to measure the size of capacitors and inductors. Therefore, designing a reliable, safe, convenient capacitance, inductance tester is very necessary now.

The master controller of this tester uses Mega16 microcontroller. It’s high integration, on-chip resources. In the design of hardware system, take the Mega16 monolithic integrated circuit as the electric capacity, the inductance reflect scope reflector, the use correspondence's oscillating circuit transforms for the frequency realizes each parameter survey. Hardware circuit includes main controller, LM311 oscillating circuit and system design process.

I know and grasp how to use microcontroller technology to develop the LC measure instrument through this practice. It’s an extremely valuable experience to me.

KEY WORDS: AVR microcontroller; Mega16; LM311 oscillating circuit; LC

tester

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：

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本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

指导教师评阅书

指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 指导教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日

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5.2.1 5.2.2 5.2.3

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按键处理程序模块 .................................................................................... 21 电容电感计算程序模块 ............................................................................ 21 液晶显示程序模块 .................................................................................... 22

5.3 实验主要程序代码 ................................................................................................. 23 结论与展望 ...................................................................................................................... 26 参考文献 .................................................................................................................................... 1 致谢 ............................................................................................................................................ 2

III

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1 绪论

目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。另外，人们对电子产品智能化的程度要求越来越高，而在目前，单片机在实现电子产品智能化方面扮演着重要的角色[1]。以单片机为核心制作的电子产品具有电路简单、功能强、可靠性高、设计弹性大、便于扩展、易于形成系列化产品等显著优点，所以用单片机来制作的LC测试仪体积小，使用方便，可靠性高，可以满足人们的要求。本设计在众多的单片机中选用了ATMEL公司开发的ATmega16 AVR单片机。AVR单片机继承了C51和PIC单片机的优点，运行速度快，功能强大，是一款面向C语言编程的单片机。使用AVR单片机制作的数显直读式LC测试仪，且具有测量范围电容（1pF—440uF）、电感（1nHy—100mHy），硬件电路简单，能自动换挡，使用方便等优点，因此用AVR单片机来制作的电容表具有一定的应用前景。

1.1 传统的电容电感测量方法

电容电感测量的原理主要是：将由电容、电感引起的其他物理量变化的参数，如电压、电流、频率等通过相应的电路转变成信号，传给处理电路。最后转换成电容电感数值显示出来。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大。以下就来具体讨论电容、电感各自的测量方法。

1.1.1 测量电容

1. 利用电容器放电测电容

电容器充电后，所带电量Q与两极板间电压U和电容C之间满足Q＝CU的关系。U可由直流电压表测出，Q可由电容器放电测量。使电容器通过高电阻放电，放电电流随电容器两极板间的电压下降而减少，通过测出不同时刻的放电电流值，直至I＝0，作出放电电流I随时间变化的曲线，曲线下的面积即等于电容器所带电量。由C＝Q/U可求出电容器的电容值。

2. 利用放电时间比率测电容

其测量原理是把被测电容和基准电容连接到同一电阻上，构成RC网络。通过测量两个电容放电时间的比率，就可以求出被测电容的电容值。测量范围从pF(10-12F)到几十个nF(10-9F)，并且在寄生电容的抑制和温度稳定性方面具有很大的优势。

3. 利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容

其测量原理是把被测电容和电阻串联，构成RC网络，做成振荡器后，调好振荡信

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号的波形然后开始计数脉冲值。其周期为T?A0?RC，A0为一个常数，可通过周期可以计算出C的值。

4. 利用振荡电路测频率再计算电容

为了克服模拟测量法的缺点，可以采用数字化测量。数字化测量电容传感器容量，可使信号在传感器就地转换为数字信号后，进行远距离传输，转换电路简单性能稳定。数字测量可直接用数字形式表示，通过模/数（A/D）转换将模拟形式的信号转换成数字形式[2]。数字测量的精度高，操作方便，后处理方便，但对硬件要求高，分辨力有限。制作数字电容表常用的两种方法是：用分立元件制作电容表和用单片机制作电容表。

电容的数字化测量首先是将电容器的电容量变为频率信号，常用的有LC振荡和RC振荡。以555多谐振荡器为例，若被测电容为C，则其振荡频率为f?1.434?[(R?2R)C]。

对于振荡器，其线路结构简单，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳定。电路原理如图1.1所示。

VCCR17R2Cx843N55526150.01

图1.1 振荡器电路原理图

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1.1.2 测量电感

1. 将一个电阻与被测电感串连，然后在电路两端加上交流电，测量电感上的电压和通过的电流，由欧姆定律计算电感的感抗，然后按照下式推算出电感值。

XL??L?2?fL，XL就是感抗，单位为欧姆，ω是交流发电机运转的角速度，单位为弧度/秒，f是频率，单位为赫兹，L是线圈电感，单位为亨利。由上式可方便地计算出被测电感的值。

2. 使用电感测试仪测试加一个正弦波电压，测通过它的电流的幅值和相位。矢量除以频率，就可以得到电感值。

3. 电感是储能元件，因此可利用它与电容器组成振荡回路[3]，不同于谐振回路，根据振荡频变化，进而推算出电感量的大小。由于振荡频率可以设置的较高，因此可获得较高的分辨度。振荡法测量的基本保证是要求振荡的频率相对稳定。我们采用ABX△E振荡，因为它有较宽的频率范围，且相对稳定。我们采用Colpitts振荡器，因为它有较宽的频率范围且相对稳定。其基本频率为f?12?LC，假定c不变，令??12?C为待

定系数，则γ应为常数，有f?应的电感L值。

?L，??fL。因此，根据振荡频率f值，可得到相

1.2 前景

当今电子测试领域,电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。 作为两个非常普遍和常用的测量参数，其对测量的精度和速度都有越来越高的要求。目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足 测量要求，因此设计可靠、安全、便捷、测量精度高的电容、电感测量仪具有广泛的使用和应用前景。

在目前的生产制造业中，与传统的手动交流电桥相比，数字LC测量仪因其测量性能稳定可靠，无需进行反复的、复杂的手动平衡，还可以减少测量误差和结果计算，故已被越来越多的应用于实时电容电感的测量分析。要保证LC测量仪测量的准确度，对其性能的考核就显得尤为重要。

随着数字化测量技术的发展，电容电感测试仪在测量速度和精度上有很大的改善。在今后的发展中，相信更多更先进的LC测量手段会出现并影响我们的生产、生活和社会生活的方方面面。

1.3 本设计所做的工作

本设计是以LM311为核心的振荡电路，将被测参数模拟转化为频率，并利用Mega16

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实现计算频率，所以，本次设计需要做好以下工作：

1) 学习Mega16原理等资料[4] 2) 学习1602LCD原理等资料 3) 设计测量电容，电感的振荡电路 4) 设计1602LCD动态显示电路 5) 设计测量频率程序，设置程序

6) 用Protel 99SE软件绘制电原理图和印刷电路版图 7) 在计算机上进行模拟测试，记录测试数据和结果 8) 撰写项目论文

1.4 设计思路

主控制器采用Mega16单片机，这种单片机具有足够的空余硬件资源，以便可以实现其他的扩充功能。利用LM311振荡电路测量频率、单片机处理数据、1602LCD显示数据结果。可以实现电容（1pF—440uF）、电感（1nHy—100mHy）的测量精度。

1.4.1 硬件设计思路

硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现此设计基本功能以外，主要考虑如下几个因素：

1) 系统稳定度

2) 器件的通用性或易选购性 3) 软件编程的易实现性 4) 系统其它功能及性能指标

因此硬件设计至关重要。主要设计包括以下三部分：

单片机主控模块：采用Mega16单片机作为整个硬件系统的核心[5]，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。关于主控芯片的体系结构在第二章会有详细的介绍。

LC测试模块：LM311是普通的电压比较器，它和L1、C1组成振荡器[6]。由测量原理可以看出电路对L1、C1的精度无严格的要求，但是标准电容C2要尽可能的准确。电路组装好以后，首先要保证振荡器工作正常，可以用示波器看一下，正常后再调试程序，以免走弯路。标准电容器的接入和断开是由单片机控制继电器完成的。2×2开关S1用来切换电容/电感测试模式，其中的一个空闲触点接到单片机的PB2端口用来指示当前的测试模式是电感还是电容，这里该触点接地是测试电感。

显示模块：通过LCD驱动程序对Mega16处理的结果进行稳定显示，在测试期间显示能够保持稳定状态，当离开测试能够迅速归零。

1.4.2 软件设计思路

程序比较简单，主要包括测频率和计算两部分。测频率我这里是用定时器T0定时

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250毫秒，振荡器输出接至计数器T1端口，在T0溢出中断中记录计数值，将四次溢出中断的计数值加在一起就是振荡频率。主程序按以下顺序工作：

1) 测量由L1C1组成的振荡器的频率F1

2) 控制继电器将标准电容与C1并联，测出由L1和C1+C2组成的振荡器的频率F2 3) 计算L1和C1的值 4) 断开C2，检测PB2

PB2=1测电容，并联Cx测量F2，由公式Cx?(F12?F22?1)?C1求出Cx PB2=0测电感，串联Lx测量F2，由公式Lx?(F12?F22?1)?L1求出Lx

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2 Mega16微型控制器介绍

本章就Mega16单片机作了简单介绍。其中，简要介绍Mega16的系统结构、存储器地址分配、CPU内部寄存器、寄存器详述、I/O接口引脚。

2.1 Mega16的系统结构

Mega16单片机系统结构大致可分为MCU核心与MCU外设两部分。 (1)MCU核心

该部分包括MCU的3中存储器(FLASH、SRAM、EEPRONM)；模拟比较器和数模转换器；程序存储器的页面模式控制；具有中断识别、读/写控制、工作模式等控制功能的系统综合模块(SIM)；可用于系统扩展的分时复用总线端口，其中A口、B口可作为外扩展存储器或接口电路的分时复用地址/数据总线，D口的部分可作为控制总线。

(2)MCU外设

Mega16外设部分包括：A/D转换器[7]，两线串行接口TWI，串行接口SPI等接口。

2.2 存储器地址分配

本节讲述Mega16的存储器。AVR结构具有两个主要的存储器空间：数据存储器空间和程序存储器空间。此外，Mega16还有EEPROM存储器以保存数据。这三个存储器空间都为线性的平面结构。

Mega16具有16K字节的在线编程Flash，用于程序指令代码。因为所有的AVR指令为16位或32位，故而Flash组织成8K*16位的形式。用户程序的安全性要根据Flash程序存储器的两个区：引导(Boot)程序区和应用程序区，分开来考虑。Flash存储器至少可以擦写10,000次。Mega16的程序计数器(PC)为13位，因此可以寻址8K字的程序存储器空间。常数可以保存于整个程序存储器地址空间。

2.3 CPU内部寄存器

本节从总体上讨论AVR内核的结构。CPU的主要任务是保证程序的正确执行。因此它必须能够访问存储器、执行运算。控制外设以及处理中断。

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图2.1 AVR内核的结构

为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令（在本文称为预取）。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的Flash。

快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期。

寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。

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这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。

ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算[8]。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以及反映操作结果。

程序流程通过有无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度位16位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。程序存储器空间分为两个区：引导程序区（Boot区）和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/写保护。用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。

在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器(PC)保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM的大小。在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O空间，可以进行读写访问。数据SRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。AVR存储器空间为线性的平面结构。AVR有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个终端在终端向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表里的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。I/O存储器空间高喊64个可以直接寻址的地址，作为CPU外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20-0x5F。

AVR、ALU与32个通用工作寄存器直接相连。寄存器与寄存器之间、寄存器与立即数之间的ALU运算只需要一个时钟周期。ALU操作分为3类：算数、逻辑和位操作。此外还提供了支持无/有符号数和分数乘法的乘法器。

AVR中断寄存器SREG定义如下:

图2.2 AVR中段寄存器STEG

Bit7-I：全局中断使能 I置位时使能全局中断。单独的中断使能有其他独立的控制寄存器控制。如果I清零，则不论单独中断标志置位与否，都不会产生中断。任意一个中断发生之后I清零，而执行RETI指令后I恢复置位以使能中断。I也可以通过SEI和CLI指令来置位和清零。

Bit6-T：位拷贝存储 位拷贝指令BLD和BST利用T作为目的或源地址。BST把寄存器的某一位拷贝到T，而BLD把T拷贝到寄存器的某一位。

Bit5-H：半进位标志 半进位标志H表示算数操作发生了半进位。此标志对于BCD运算非常有用。

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