基于單片機的RLC電抗參數測試系統設計與應用*

目前RLC 電抗測試類(lèi)設備基本工作原理為電阻器電阻值變化量，電容器電容值的變化以及電感器電感值的變化量均轉換為電壓變化或頻率，通過(guò)高精度AD 采集或頻率檢測等方法獲得確定的電抗數值，確定相應器件的具體參數^[1]。

在現代電子信息科學(xué)研究中，需要對電阻、電容或電感的電抗參數進(jìn)行測量，萬(wàn)用表以其簡(jiǎn)單易用、功耗低等優(yōu)點(diǎn)被大部分人所采用。然而萬(wàn)用表存在局限性，如不能測量電感與大容量電容。因此，研制一種簡(jiǎn)單易用的RLC 電抗參數測量?jì)x器十分必要，存在巨大的市場(chǎng)空間。

*基金項目：阿壩州應用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)項目（19YYJSYJ0091）；四川省教育信息技術(shù)“十三五”規劃課題（川教館2019-142）。阿壩師范學(xué)院自然科學(xué)重點(diǎn)項目（ASA19-17）

1   系統結構設計

測試系統采用MCU 作為電阻、電容、電感的電抗參數測試中心控制器，實(shí)現對其電抗參數的測試。系統分為參數測量模塊、通道選擇模塊、控制電路模塊和顯示模塊四個(gè)部分，通過(guò)輸入輸出端口向模擬開(kāi)關(guān)發(fā)送兩位地址信號，得到相應的振蕩頻率，根據輸出頻率切換測試量程，同時(shí)進(jìn)一步處理電抗參數輸出值，系統結構框圖如圖1。

控制電路模塊以STC89C52 為核心，具有中斷、定時(shí)、計數等功能模塊。系統設計中，采用LCD1602 作為顯示器，CD4502 作為模擬開(kāi)關(guān)、NE555 與3 個(gè)測量模式控制按鍵分別為SR、SC、SL，切換不同參數測量模式，實(shí)現智能選擇并測量。通道選擇由MCU 控制CD4052 模擬選擇開(kāi)關(guān)完成檔位切換。測量電路中RC震蕩電路采用555 振蕩器與電容三端式振蕩電路，實(shí)現電抗參數的間接測量^[2]。

作者簡(jiǎn)介：曹新敏（2001—），四川成都，阿壩師范學(xué)院本科在讀，主要研究方向：單片機嵌入式系統軟硬件設計。

通信作者：晏勇（1983—），四川成都，副教授，碩士，主要研究方向：嵌入式系統軟硬件協(xié)調設計，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

2   硬件電路設計

2.1 STC89C52單片機電路設計

基于MCU 的RLC 電抗參數測試系統采用STC89C52中心控制器，最小系統包括電源模塊、復位模塊、晶振時(shí)鐘模塊、串口下載模塊^[3]，單片機最小系統如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統

2.2 顯示電路及按鍵電路設計

在RLC 電抗參數測試過(guò)程中，LED 用于顯示電抗參數類(lèi)別和電源狀態(tài)指示，方便直觀(guān)。系統MCU 的I/O與LED 采用共陽(yáng)方式連接，控制程序放在STC89C52的ROM 中，I/O 口輸出低電壓，相連的狀態(tài)顯示LED被點(diǎn)亮；I/O 口輸出高電壓，狀態(tài)顯示LED 熄滅，LED接口電路如圖3 所示。

圖3 LED接口電路

在LED 電路中，每個(gè)LED 與MCU 的I/O 之間都必須串聯(lián)限流電阻，而且阻值至少為180 Ω 。按照電源電壓2.3 V 時(shí)正常發(fā)光工作電流為15 mA 計算，分去5 V 電源電壓中的2.7 V 電壓，則得到

且電阻功率應為

系統設計中設置了SR、SC、SL 模式按鍵，分別與單片機P1.3、P1.4 和P1.5 直接相連，按鍵電路如圖4所示。

圖4 按鍵電路

2.3 電阻測量電路設計

555 時(shí)基電路是一種應用廣泛的時(shí)基發(fā)生器，外接電阻與電容即可組成多諧振蕩器[4]。電抗參數測量采用“脈沖計數法”，由555 電路組成多諧振蕩器，通過(guò)555 輸出振蕩頻率計算被測R 阻值^[5]，測量原理如圖5。

555 時(shí)基電路構成的多諧振蕩器，振蕩周期為：

得：

即：

其中， R5 = 1 kΩ ， R6 = 1 kΩ ， C5 = 0.1 μF。

圖5 電阻測量原理圖

2.4 電容測量電路設計

電容電抗參數測量方法也是采用“脈沖計數法”，由555 時(shí)基電路構成多諧振蕩電路^[6]，通過(guò)計算振蕩器輸出頻率計算被測電容的大小^[7]，電容測量原理如圖6。555 電路多諧振蕩器振蕩周期為：

設： ，得：

即：

其中： R3 = 200 kΩ，R4 =1 MΩ，C4 = 0.1 μF

圖6 電容測量原理

2.5 電感測量電路設計

電感電抗參數測量采用電容三端式振蕩器，電容三端式振蕩器也稱(chēng)為考畢茲振蕩電路^[8]，采用“射同余異”的組成原則^[9]，電感測量原理如圖7 所示，振蕩頻率為：

即：

圖7 電感測量電路

3   軟件設計

系統軟件設計，以單片機作為控制器，控制按鍵選擇參數測量模式，通過(guò)LCD 顯示測量結果，模式控制按鍵處理流程如圖8。

RLC 電抗參數測試系統設計中，為了操作方便、直觀(guān)，LED 顯示被測參數的模式，通過(guò)按鍵SR、SC、SL來(lái)進(jìn)行控制，按鍵子程序操作流程如圖9。

測試中放入待測元器件，開(kāi)啟電源，選擇測量參數模式。首先選擇被測元件電抗參數的類(lèi)別，MCU 控制器根據模式開(kāi)啟不同的測試模塊程序，測試完成后結果通過(guò)LED 顯示。

系統設計中頻率計算通過(guò)MCU 外部中斷INT1 實(shí)現，對外觸發(fā)產(chǎn)生的脈沖頻率進(jìn)行測量，通過(guò)MCU 對測量數據校正計算完成對頻率^[10]。MCU 頻率測量原理如圖10。

當t1 時(shí)刻檢測到高電平，開(kāi)定時(shí)器同時(shí)計數； t2 時(shí)刻等待檢測低電平；在t3 時(shí)刻第二次檢測到高電壓，關(guān)閉定時(shí)器并停止計數^[11]。

GATE =1，TR1 =1 , 當INT1引腳的輸入為高電壓時(shí)， t1 開(kāi)始計數。外部輸入脈沖經(jīng)過(guò)INT1 引腳，當檢測到高電壓時(shí)，打開(kāi)定時(shí)器開(kāi)始計數；當檢測到低電平時(shí)，記錄脈沖的脈寬，但需要的參數是頻率，所以在程序中要繼續檢測，等待下一個(gè)高電壓的到來(lái)；再次檢測到高電壓時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器停止計數，用此計數據乘以機器周期，得出觸發(fā)電路產(chǎn)生周期，最后通過(guò)計算得到輸入信號頻率f ^[12]，測頻程序流程如圖11。

4   實(shí)驗與測試

4.1 液晶顯示電路調試

顯示電路分別與MCU 的P1.0、P1.1、P1.2 相連接，顯示測量結果。接通電源，用示波器測試輸出波形，輸出顯示為方波，電路焊接無(wú)誤工作正常，否則硬件電路存在故障，應斷電檢查。改變電源輸出電壓，輸出方波頻率會(huì )隨之發(fā)生變化。經(jīng)測試，當Vcc 為3.25 V 左右時(shí)誤差較小。

4.3 實(shí)驗數據

5   結束語(yǔ)

系統采用STC89C52 為核心，便于攜帶，穩定性強，調試和維護簡(jiǎn)便。通過(guò)555 振蕩器與電容三端式振蕩器產(chǎn)生不同振蕩頻率，測試頻率通過(guò)CD4052 模擬開(kāi)關(guān)輸入單片機計數，顯示電路顯示被測參數的測量值。根據按鍵選擇情況，控制被測參數所對應的子程序，靈活控制被測參數檔位切換。經(jīng)測試，RLC 參數測試系統精度高、響應快、抗干擾能力強，具有很強的使用價(jià)值。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）