基于單片機的RLC電抗參數測試系統(tǒng)設計與應用

曹新敏 晏勇

摘 要：針對傳統(tǒng)RLC電抗參數測試系統(tǒng)復雜、功耗大、精度低等方面的局限，設計了一種基于單片機的RLC電抗參數測試系統(tǒng)，利用振蕩電路與待測元件的線性關系準確測量RLC器件的電抗參數。系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為中心控制器，NE555產生計數脈沖，CD4052模擬開關切換測量模式，操作簡單實用。經實驗測試，RLC參數測試系統(tǒng)響應快、精度高、穩(wěn)定性強，具有很強的使用價值。

關鍵詞：RLC；單片機；NE555；模擬開關；多諧振蕩

*基金項目：阿壩州應用技術研究與開發(fā)重點項目（19YYJSYJ0091）；四川省教育信息技術“十三五”規(guī)劃課題（川教館2019-142）。阿壩師范學院自然科學重點項目（ASA19-17）

目前RLC電抗測試類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(xiàn)代電子信息科學研究中，需要對電阻、電容或電感的電抗參數進行測量，萬用表以其簡單易用、功耗低等優(yōu)點被大部分人所采用。然而萬用表存在局限性，如不能測量電感與大容量電容。因此，研制一種簡單易用的RLC電抗參數測量儀器十分必要，存在巨大的市場空間。

1 系統(tǒng)結構設計

測試系統(tǒng)采用MCU作為電阻、電容、電感的電抗參數測試中心控制器，實現(xiàn)對其電抗參數的測試。系統(tǒng)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部分，通過輸入輸出端口向模擬開關發(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，同時進一步處理電抗參數輸出值，系統(tǒng)結構框圖如圖1。

控制電路模塊以STC89C52為核心，具有中斷、定時、計數等功能模塊。系統(tǒng)設計中，采用LCD1602作為顯示器，CD4502作為模擬開關、NE555與3個測量模式控制按鍵分別為SR、SC、SL，切換不同參數測量模式，實現(xiàn)智能選擇并測量。通道選擇由MCU控制CD4052模擬選擇開關完成檔位切換。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，實現(xiàn)電抗參數的間接測量[2]。

2 硬件電路設計

2.1 ST C89C52單片機電路設計

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

2.2 顯示電路及按鍵電路設計

在RLC電抗參數測試過程中，LED用于顯示電抗參數類別和電源狀態(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。

在LED電路中，每個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 。按照電源電壓2.3 V時正常發(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

系統(tǒng)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。

2.3 電阻測量電路設計

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時基電路構成多諧振蕩電路[6]，通過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：

3 軟件設計

系統(tǒng)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(tǒng)設計中，為了操作方便、直觀，LED顯示被測參數的模式，通過按鍵SR、SC、SL來進行控制，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別，MCU控制器根據模式開啟不同的測試模塊程序，測試完成后結果通過LED顯示。

4 實驗與測試

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，輸出方波頻率會隨之發(fā)生變化。經測試，當Vcc為3.25 V左右時誤差較小。

4.3 實驗數據

5 結束語

系統(tǒng)采用STC89C52為核心，便于攜帶，穩(wěn)定性強，調試和維護簡便。通過555振蕩器與電容三端式振蕩器產生不同振蕩頻率，測試頻率通過CD4052模擬開關輸入單片機計數，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。經測試，RLC參數測試系統(tǒng)精度高、響應快、抗干擾能力強，具有很強的使用價值。

參考文獻：

[1] 甕嘉民，蔣威，陳孝宗.電感電容頻率—體化簡易測量儀設計[J].電子器件.2019，38（09）：148-152.

[2] 劉福星，任全會.便攜式電容電感測試系統(tǒng)設計[J].鄭州鐵路職業(yè)技術學院學報， 2019，34（08）：67-70.

[3] 王劍，王黨朝，黃永超，等.基于Labview的仿真暫態(tài)過程測量儀開發(fā)[J].內江師范學院學報，2019，34（08）：48-52.

[4] 于柏，費騰，只德瑞.一種簡易RLC測量系統(tǒng)的研制[J].實驗室研究與探索，2021，40（01）：130-134.

[5] 王韋剛，張云偉，田龍彬.一種諧振頻率的簡便求解與測量[J].國外電子測量技術，2019，42（23）：25-29.

[6] 東忠閣.基于LabVIEW的RLC測量儀設計[J].電子科學技術， 2017，04（05）：28-31.

[7] 吳勇，汪樹青.電LCR測量儀校準方法研究[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測量儀的研究與設計[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（18）：121-124.

[10] 王杰.基于51單片機的電容電感測量儀設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2019（24）：32-33.

[11] 王勇，王梨英.高精度測量儀的研究與設計[J].電子世界，2018， （06）：140-160.

[12] 黃江.基于STM32 的高精度電容測量儀設計[J].科技創(chuàng)新導 報，2017（27）：139-141.