具有語(yǔ)音功能的RCL測(cè)試儀設(shè)計(jì)

摘 要:本系統(tǒng)以凌陽(yáng)16位微控制器SPCE061A為核心，擁有全程圖形中文菜單操作環(huán)境，并可通過(guò)語(yǔ)音指令進(jìn)行操作，同時(shí)測(cè)量結(jié)果可設(shè)置為語(yǔ)音播報(bào)，測(cè)量精度較高，量程范圍內(nèi)自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)了儀器的自動(dòng)化。主要特點(diǎn):(1)量程范圍大(電阻50歐～2M，電容1p～1u，電感5uH～100mH)，精度較高，刷新率高，每秒２次。(2)電容，電感測(cè)試基于LC振蕩器，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，精度只取決于一只高精度電容。(3)電阻測(cè)量基于555多諧振蕩器，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式修正，精度高。(4)可語(yǔ)音指令控制。(5)大屏幕LCD顯示，全程中文菜單操作環(huán)境，功能強(qiáng)大，使用方便。

關(guān)鍵詞:SPCE061A微控制器中文菜單

中圖分類(lèi)號(hào):TP934文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)02(c)-0077-03

1 方案設(shè)計(jì)與論證

1.1 電阻測(cè)量方案

方案一:電阻串聯(lián)分壓。傳統(tǒng)的電阻測(cè)量方法基本原理是將被測(cè)電阻Rx與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)分壓，通過(guò)測(cè)量被測(cè)電阻Rx上的電壓來(lái)確定被測(cè)電阻阻值的。但在系統(tǒng)中，芯片內(nèi)ADC的精度只有10位，而且線性度不太好，而設(shè)計(jì)要到達(dá)測(cè)量的范圍大，為了兼顧測(cè)量精度，必須要分多級(jí)測(cè)量，這樣量程轉(zhuǎn)換電路勢(shì)必很復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間周期長(zhǎng)。

方案二:經(jīng)過(guò)RC振蕩器將電阻值轉(zhuǎn)化為頻率值。頻率值是單片機(jī)非常容易處理的數(shù)字量，只要經(jīng)過(guò)一些計(jì)算處理便可以得到真實(shí)的電阻值，而且量程切換容易。系統(tǒng)采用此方案。

1.2 電容測(cè)量方案

測(cè)量電容的普遍方法都是經(jīng)過(guò)振蕩電路把其值轉(zhuǎn)換為頻率量，再進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于振蕩電路的選擇，在設(shè)計(jì)中考慮了以下兩種方案:

方案一:RC多諧振蕩器。采用555設(shè)計(jì)的RC多諧振蕩器電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但很難做到大量程的電容測(cè)量，線性度不佳，精度不容易做得高。

方案二:LC振蕩器。采用LC振蕩，頻率基本上取決于諧振公式，只要提供高精度的L值，便能得到較高精度的C值，測(cè)量范圍很大，并可以和電感測(cè)量共用同一個(gè)電路。但LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度較差，對(duì)元器件的要求較高。

綜合各種因素，系統(tǒng)中采用方案二。

1.3 顯示界面方案

方案一:采用led數(shù)碼管顯示。這種方案只能用來(lái)顯示非常有限的符號(hào)和數(shù)字碼，顯示不夠直觀，同時(shí)也不適合用在功能強(qiáng)大的系統(tǒng)中。

方案二:采用字符式LCD顯示。這可以用英文顯示較為清晰的提示和數(shù)字，基本可以滿足一些簡(jiǎn)單的設(shè)置和顯示要求，但始終不夠美觀和方便。

方案三:采用點(diǎn)陣式LCD顯示。這種方案是最為復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)，需要完成大量的顯示工作，但其功能也是強(qiáng)大的。采用這種方案，可以顯示美觀的中文圖形菜單，操作將變得非常方便順手。

權(quán)衡之后，采用方案三，并實(shí)現(xiàn)全中文菜單操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以SPCE061A微控制器為核心，將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為多個(gè)模塊，包括RC多諧振蕩器，LC振蕩器，功能切換電路，LCD顯示，鍵盤(pán)，mic，喇叭等各個(gè)模塊。圖給出該系統(tǒng)的總體框圖(如圖1）。

3 方案實(shí)現(xiàn)

3.1 電阻測(cè)量(如圖2）

如圖所示，由555構(gòu)成一個(gè)RC多諧振蕩器，其振蕩頻率有以下公式確定:

由于R和C為已知條件，所以只需測(cè)出頻率值f，經(jīng)過(guò)換算就可以得到Rx的電阻。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)際情況下，當(dāng)Rx的值與Ｒ的值相差較遠(yuǎn)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)值與理論值相差較大，所以在本系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)較大的量程范圍，我們采用了兩組不同ＲC組合以實(shí)現(xiàn)不同量程范圍的電阻測(cè)量。

在系統(tǒng)中，R8(20K)和C12(1000pF)的組合用來(lái)測(cè)量阻值比較大的電阻，R9(330)和C13(220nF)的組合用來(lái)測(cè)量阻值比較小的電阻值，兩者的量程切換臨界點(diǎn)用實(shí)驗(yàn)來(lái)界定。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)(如表1，2)，我們對(duì)誤差進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其誤差增長(zhǎng)存在一定的規(guī)律。在表1中，我們發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量小于10kΩ電阻的時(shí)候，誤差迅速增大，呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。所以在此我們引入了一條經(jīng)驗(yàn)公式:

對(duì)原結(jié)果進(jìn)行修正后，誤差得到很大的下降，具體結(jié)果見(jiàn)表。

同樣地，我們?cè)赗9(330)和C13(220nF)的組合中，對(duì)小于200Ω的電阻進(jìn)行修正，經(jīng)驗(yàn)公式為:

具體結(jié)果見(jiàn)表1，2。

3.2 電容電感測(cè)量電路

如圖3，LM311為一個(gè)高速的電壓比較器，與R4，R5，R6，R7，C9，C10，以及可C7，C8，L1，Cx，Lx構(gòu)成一個(gè)LC振蕩電路，其頻率由LC的諧振頻率決定。圖中的繼電器用來(lái)切換L／C測(cè)量，以及用來(lái)自校準(zhǔn)。

3.2.1 測(cè)量電容原理

電路的諧振頻率

在未接入代測(cè)電容的時(shí)候，L1與C7并聯(lián)諧振，其頻率，

接入Cx后，

聯(lián)立兩式，得:

所以，只要分別測(cè)出f1與fx的值，就可以計(jì)算出Cx的值。

類(lèi)似地，測(cè)量電感的時(shí)候，只需把繼電器切換到電感模式，之后計(jì)算:

就可以得到電感值了。

3.2.2 自校準(zhǔn)電路

系統(tǒng)在初始化的時(shí)候，先取得L1與C7的諧振頻率

之后，閉合繼電器３(Small_Relay3)，這時(shí)C7與C3并聯(lián)，其值為兩者之和，諧振頻率

聯(lián)立兩式，得:

;

這樣，C7與L1的值就可以通過(guò)C3來(lái)校正，如果C3為高精度電容(精度等級(jí)為D級(jí)±0.5%)的話，電路中的C7，L1通過(guò)校正后，就可以得出誤差為±0.5%的值，以這個(gè)校正后的C7和L1的值去計(jì)算待測(cè)電容和電感的值，就可以把測(cè)量誤差控制在±0.5%以內(nèi)。

3.3 頻率測(cè)量

在系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的振蕩器，電阻，電容，電感的測(cè)量值都轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的頻率值。其中電阻測(cè)量電路在量程范圍對(duì)應(yīng)的頻率為360～15251Hz，電容電感的測(cè)量電路最高頻率達(dá)740K。

對(duì)于測(cè)量740k的頻率，如果閘門(mén)時(shí)間為1s，單片機(jī)內(nèi)片集成的16位計(jì)數(shù)器顯然不夠用。但令人欣慰的是SPCE061A集成的是高速計(jì)數(shù)器(輸入脈沖可高達(dá)24M以上)，不像51架構(gòu)的單片機(jī)，只能以低于500k的頻率作為計(jì)數(shù)脈沖。為此，我們對(duì)片內(nèi)集成的16位計(jì)數(shù)器進(jìn)行了軟件擴(kuò)展，即設(shè)置一個(gè)16位的整型變量，在計(jì)數(shù)器溢出的時(shí)候就加1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用該方法可以準(zhǔn)確測(cè)量低于30M Hz的頻率，閘門(mén)時(shí)間設(shè)置為0.5S時(shí)，量化誤差為±２Hz。

3.4 系統(tǒng)顯示

本系統(tǒng)采用工業(yè)上廣泛使用的液晶顯示模塊12864，分辨率為128*64，開(kāi)發(fā)了全程中文菜單操作環(huán)境，操作方便，顯示直觀。系統(tǒng)比較復(fù)雜，不用菜單顯示是難以實(shí)現(xiàn)諸多功能的。

3.5 微控制器

本系統(tǒng)采用凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A，片內(nèi)集成2K字的RAM，32K字的FlashROM，8通道10位ADC并自帶MIC放大電路，雙10位DAC，32位IO，而且提供14個(gè)不同的中斷源，時(shí)基信號(hào)豐富自由，為電路設(shè)計(jì)以及編程提供很大的方便?？梢韵胂螅绻到y(tǒng)采用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，難度十分巨大，估本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，編譯后的最終代碼量大于60k字節(jié)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

本系統(tǒng)在很多地方有獨(dú)特的發(fā)揮。電阻測(cè)量采用經(jīng)驗(yàn)公式修正后誤差小于1%。對(duì)于電容電感的測(cè)量精度，由于測(cè)試時(shí)沒(méi)有高精度的電容電感測(cè)試儀可對(duì)比和修正，無(wú)法得出確切精度，只能以元件的標(biāo)稱(chēng)值作為誤差計(jì)算的基數(shù)。

對(duì)于本系統(tǒng)電容電感測(cè)量的誤差來(lái)源，主要是在切換電容電感測(cè)量的時(shí)候使用了電磁繼電器，其對(duì)電感的值有微小影響。由于使用了lc振蕩器，對(duì)于待測(cè)電感，如果其直流電阻較大，對(duì)振蕩器的輸出頻率有較大影響。