基于單片機(jī)的RLC電抗參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

目前RLC 電抗測(cè)試類設(shè)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(zhuǎn)換為電壓變化或頻率，通過(guò)高精度AD 采集或頻率檢測(cè)等方法獲得確定的電抗數(shù)值，確定相應(yīng)器件的具體參數(shù)^[1]。

在現(xiàn)代電子信息科學(xué)研究中，需要對(duì)電阻、電容或電感的電抗參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)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(shù)測(cè)量?jī)x器十分必要，存在巨大的市場(chǎng)空間。

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

1   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)采用MCU 作為電阻、電容、電感的電抗參數(shù)測(cè)試中心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)其電抗參數(shù)的測(cè)試。系統(tǒng)分為參數(shù)測(cè)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(hào)，得到相應(yīng)的振蕩頻率，根據(jù)輸出頻率切換測(cè)試量程，同時(shí)進(jìn)一步處理電抗參數(shù)輸出值，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

控制電路模塊以STC89C52 為核心，具有中斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用LCD1602 作為顯示器，CD4502 作為模擬開(kāi)關(guān)、NE555 與3 個(gè)測(cè)量模式控制按鍵分別為SR、SC、SL，切換不同參數(shù)測(cè)量模式，實(shí)現(xiàn)智能選擇并測(cè)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(cè)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(xiàn)電抗參數(shù)的間接測(cè)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(jī)嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。

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(tǒng)軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2   硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

基于MCU 的RLC 電抗參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)采用STC89C52中心控制器，最小系統(tǒng)包括電源模塊、復(fù)位模塊、晶振時(shí)鐘模塊、串口下載模塊^[3]，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 顯示電路及按鍵電路設(shè)計(jì)

在RLC 電抗參數(shù)測(cè)試過(guò)程中，LED 用于顯示電抗參數(shù)類別和電源狀態(tài)指示，方便直觀。系統(tǒng)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(jì)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(yīng)為

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)置了SR、SC、SL 模式按鍵，分別與單片機(jī)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(cè)量電路設(shè)計(jì)

555 時(shí)基電路是一種應(yīng)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(shù)測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由555 電路組成多諧振蕩器，通過(guò)555 輸出振蕩頻率計(jì)算被測(cè)R 阻值^[5]，測(cè)量原理如圖5。

555 時(shí)基電路構(gòu)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(cè)量原理圖

2.4 電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)

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

設(shè)： ，得：

即：

其中： R3 = 200 kΩ，R4 =1 MΩ，C4 = 0.1 μF

圖6 電容測(cè)量原理

2.5 電感測(cè)量電路設(shè)計(jì)

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

即：

圖7 電感測(cè)量電路

3   軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，以單片機(jī)作為控制器，控制按鍵選擇參數(shù)測(cè)量模式，通過(guò)LCD 顯示測(cè)量結(jié)果，模式控制按鍵處理流程如圖8。

RLC 電抗參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了操作方便、直觀，LED 顯示被測(cè)參數(shù)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(cè)試中放入待測(cè)元器件，開(kāi)啟電源，選擇測(cè)量參數(shù)模式。首先選擇被測(cè)元件電抗參數(shù)的類別，MCU 控制器根據(jù)模式開(kāi)啟不同的測(cè)試模塊程序，測(cè)試完成后結(jié)果通過(guò)LED 顯示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中頻率計(jì)算通過(guò)MCU 外部中斷INT1 實(shí)現(xiàn)，對(duì)外觸發(fā)產(chǎn)生的脈沖頻率進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)MCU 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)校正計(jì)算完成對(duì)頻率^[10]。MCU 頻率測(cè)量原理如圖10。

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

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

4   實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

4.1 液晶顯示電路調(diào)試

顯示電路分別與MCU 的P1.0、P1.1、P1.2 相連接，顯示測(cè)量結(jié)果。接通電源，用示波器測(cè)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(yīng)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(cè)試，當(dāng)Vcc 為3.25 V 左右時(shí)誤差較小。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5   結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用STC89C52 為核心，便于攜帶，穩(wěn)定性強(qiáng)，調(diào)試和維護(hù)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(cè)試頻率通過(guò)CD4052 模擬開(kāi)關(guān)輸入單片機(jī)計(jì)數(shù)，顯示電路顯示被測(cè)參數(shù)的測(cè)量值。根據(jù)按鍵選擇情況，控制被測(cè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的子程序，靈活控制被測(cè)參數(shù)檔位切換。經(jīng)測(cè)試，RLC 參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 甕嘉民,蔣威,陳孝宗.電感電容頻率—體化簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].電子器件.2019,38(09):148-152.

[2] 劉福星,任全會(huì).便攜式電容電感測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2019,34(08):67-70.

[3] 王劍,王黨朝,黃永超,等.基于Labview的仿真暫態(tài)過(guò)程測(cè)量?jī)x開(kāi)發(fā)[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào),2019,34(08）:48-52.

[4] 于柏,費(fèi)騰,只德瑞.一種簡(jiǎn)易R(shí)LC測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2021,40(01):130-134.

[5] 王韋剛,張?jiān)苽?田龍彬.一種諧振頻率的簡(jiǎn)便求解與測(cè)量[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2019,42(23):25-29.

[6] 東忠閣.基于LabVIEW的RLC測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].電子科學(xué)技術(shù),2017,04(05):28-31.

[7] 吳勇,汪樹(shù)青.電LCR測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)方法研究[J].電子世界,2020,(23):95-97.

[8] XU M, ZHU L.Ferro-resonance Overvoltage Identification Using Earth Capacitance and Excitation Inductance of Ratio Method[C].Proceedings of 2017 International Conference on Advances in Materials,Machinery,Electrical Engineering(AMMEE 2017),2017.

[9] 賴瑞鏹.基于Arduino的RLC測(cè)量?jī)x的研究與設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2019,16(18):121-124.

[10] 王杰.基于51單片機(jī)的電容電感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2019(24):32-33.

[11] 王勇,王梨英.高精度測(cè)量?jī)x的研究與設(shè)計(jì)[J].電子世界,2018,(06):140-160.

[12] 黃江.基于STM32 的高精度電容測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2017(27):139-141.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）