#第十届立创电赛#基于瑞萨单片机的LCR数字电桥

基于瑞萨R7FA2E1A7单片机能测电池内阻的LCR数字电桥

 

1、项目功能介绍

作为一个业余电子爱好者，平时有测电池内阻和电子元器件阻抗的需求，两个仪表来回切换比较麻烦，很多开源电桥把隔直电容和保护电路都给砍掉了，所以没法直接测电池内阻，外接隔直电容不是很方便，于是自己设计了一个能测电池内阻的LCR数字电桥，同时验证下自己的想法，采用两路采集，多ADC口采样增加读数分辨率。

也因为我是业余爱好者，这个项目对我有难度，所以最后做的不怎么好用，也就是勉强能用级别。

测量频率1KHZ、10KHZ、100HZ

阻抗测量范围1毫欧到10兆欧，可以测电池内阻、串联电容、串联电感、串联电阻、串联电抗、D值、Q值、角度、阻抗的幅度

由于频率多量程宽有的档位可能存在BUG，自动量程也有一些问题，有的时候无法切换到正确档位。

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2、项目属性

项目首次公开，部分电路参考开源电桥，程序是原创的。

 

3、开源协议

GPL3.0开源协议，软硬件开源。

4、硬件部分

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电源部分采用18650供电，DW01保护，4056充电，SW1为整机电源开关，U4转3.3V，夹子短路时最大功耗不超40毫安。

 

采用瑞萨R7FA2E1A7单片机作为主控，32MHZ晶振，手册最高为20MHZ，但是想验证自己想法采样4个ADC口采集，采样率50KHZ，采集到的数据都要进行DFT运算，计算量比较大，计算DFT频率是70K左右，刚好能出中断，于是超了下频。引脚功能：P400输出PWM，P409、P408通过模拟开关切换PWM滤波电路作为激励源。 P407档位切换33.3欧模拟开关，因为74HC4052模拟开关导通电阻比较大，无法满足最低档位要求，所以在33.3欧档位并联了一片3157模拟开关降低导通电阻。P915、P914是档位切换74HC4052的控制端口，用来切换不同档位的电阻，P206 P207被测元器件放大倍数开关，每个放大10倍，P208、P914是内部V/I电路采样电阻放大开关，每个也是放大10倍。 P300和P108是SWD口，JLINK V9需要连接4根线，3.3、GND、SWDIO、SWCLK。 P000、P001是V/I路电阻采样口，P013、P014是被测元器件采样口，采用双口采集验证下自己提高分辨率的想法。ADC直接用AVCC和AVSS作为参考，而且直接和单片机数字电源想连，这样可能会增加ADC读数跳动。 P500、P101、P102、P103是LCD液晶驱动口。P109、P110、P111、P112是四个按键。

 

PWM滤波电路直接采用RC滤波，RC滤波后为正弦波，降低单片机程序编写难度，两个3157模拟开关切换三路RC滤波器作为激励源，为了减少RC滤波电路元器件衰减的比较大，由于衰减比较大造成信号比较小容易被干扰，而且后级需要高倍放大造成温飘比较大，但是 因为两路采集，实际这里温飘对最后读数影响不大。

RC滤波后C1隔直后抬高1.66V进入U20.2运放放大，这里采用高倍放大，放大倍数低了会引起高频振荡。运放输出经过33.3欧电阻和50UF电容到RF1输出，D1 D5保护。 RF1、RF2接开尔文夹走电流，U20.1反相放大，74HC4052切换放大倍数，分辨有4个档位，33.3欧、333欧、3.33千欧、33.3千欧，最低档位由于74HC4052导通电阻大于是并联了3157模拟开关用来降低电阻，TL432提供1.66V参考地电压，和D2、D3、C33、C34组成输入保护电路，四个量程电阻也采用四线测量法，正好74HC4052有两组开关，这个部分是参考开源电桥电路。

 

 

下面为两路放大电路，分别采集被测电阻和档位切换电阻上的电压进行放大，每路设置两个放大倍数，组成10倍100倍连个放大档位。因为两路放大读数温飘影响比较明显，不同时间测一个电阻相差比较大，不如单路来回切换稳定。

参考电阻上或者被测电阻上电压经过100K电阻和100NF电容隔直后，通过1M电阻抬高1.66v，SS8050代替二极管保护防止烧运放，进入运算放大器跟随输出，U23.1差分放大。

 

差分放大后进入两个串联的10倍放大电路，先衰减后放大，然后进入单片机ADC，距离ADC满度留的余量比较大，造成显示位数比较多的时候跳动大。

 

 

 

LCD显示屏还是采用以前买的COG12865，主控ST7567，当时1元多买的二手的，现在已经没货的，为了网友仿制方便留出了LCD驱动口的排针，方便画个转接板。

 

焊接电路先焊好电源部分测量3.3V、1.66V没问题再焊模拟电路信号部分，焊好测量没有短路再焊单片机，3157模拟开关烙铁焊接容易虚焊。焊接完电路切换到30欧档，夹住33.3欧电阻，看屏幕V和I 差不多一样大表示电路放大部分正常。

 

 

5、软件部分

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源代码和固件文件夹里面，1.S是源代码，1.bin是固件就编译好了。

软件工程保存到本地  git clone git@gitee.com:yjmwxwx1/R7FA2E1A7.git

欢迎大家提供BUG，只要提供我就会想办法修复并更新

编译器可以到ARM官方下载 https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads

也可以下载gnu binutils自己编译

输入make就能编译成固件了

软件方案为了验证下自己想法，采用4个ADC口采样，没有对比也不知道效果怎么样，分辨率能大一些。

这次没用DTC传输采样数据，而是用ADC直接中断来采样和处理数据，采样率50KHZ，三个频率都是50KHZ采样率，100HZ档位速度太慢，最开始只调的1KHZ，100HZ参数没细调不好用。进入ADC中断需要计算DFT，然后得到被测电阻和参考电阻的实部和虚部，然后4个参数用下面方法计算出阻抗。

 

 

阻抗计算方法

 

CORDIC算法详细介绍可以到附件下载

1、上臂（实部、虚部）和下臂（实部、虚部分）分别用CORDIC算法旋转到0度同时记录下旋转的角度。

2、用上臂角度减去下臂角度，角度差就是被测元器件阻抗的角度，超过180度要做处理。

3、因为旋转到了0度，直接用上臂实部乘下臂参考电阻阻值，再除下臂实部得到阻抗的幅度 。

4、 算出角度差对应的COS和SIN

5、用阻抗的幅度乘上面计算的COS和SIN就得到串联电阻和电抗了。

 

电容电感计算方法，这个网页版程序可以点击不同参数互相换算，比较适合验证自己做的LCR表，文件见附件

 

 

 

 

 

 

各种参数大计算方法

 

 

校准算法需要逐个频率逐个档位校准开路、短路、幅度、角度，为了程序容易编写用的手动校准方法，所以校准起来比较麻烦，需要很大耐心，档位加减的两个按键一块按进入校准程序，校准菜单通过档位加减按键切换，两个按键一块按进入校准参数项目，开路清零需要把LCD屏幕I= 后面调到跳动的1，短路清零需要把V= 后面读数调到跳动的1，幅度校准需要把主参数菜单调到Z的绝对值显示，然后再进入幅度校准，夹住本档位能测的已知电阻，把读数调到一样就可以了。 角度校准需要把主参数调到电容或者电阻，附参数调到角度显示，然后进入角度校准，夹住已知角度本档位能测的电阻或者电容，把角度参数调到一样就可以了。 要保存到FLASH就需要按住附参数切换按键，然后再按下主参数切换按键，屏幕出现校准完成就保存到FLASH了，这样校准参数就不会关机丢失了。

想测准毫欧级电容只做幅度校准还不行，还要结合短路清零，上面校准完后夹住1毫欧电阻，通过短路校准把显示数字调到1毫欧。

 

当前档位自动量程不怎么好用，可以按住档位加切换到手动模式，手动模式屏幕上A会消失，屏幕上有A表示当前是自动模式。

 

6、BOM清单

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7、大赛LOGO验证

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 8、演示您的项目并录制成视频上传