基于51單片機的電容電感測量儀設計

王杰

摘? 要：在電子電路實驗中，我們經常需要測量一些電容和電感的電量，特別是一些小容量和小感量的器件，如果我們身邊沒有一些專業的測量儀器的話，那么我們可以自己動手做一個簡單的測量儀。文章就教大家如何用單片機來制作一個簡單實用的電容電感測量儀，其測試范圍寬，結果也較為準確，主要用來測量容量較小的電容和電感，完全可以滿足實驗測試的要求。

關鍵詞：AT89C51;LM311;電容;電感

中圖分類號：TM531 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）24-0032-02

Abstract： In electronic circuit experiments， we often need to measure the power of some capacitors and inductors， especially some small-capacity devices. If we don't have some professional measuring instruments around us， then we can make a simple measuring device. This papershows how to use a single-chip microcomputer to make a simple， practical capacitor and inductance measuring device. Its test range is wide and the result is more accurate. It is mainly used to measure the capacitance and inductance with small capacity， which can fully meet the requirements of experimental testing.

Keywords： AT89C51; LM311; capacitor; inductor

在平常電子電路實驗中，我經常會用到一些電容和電感，當我們用它的時候，我們是直接通過其自身的顏色標記或者買來的標簽上面來讀取它的容量或感量。如果在某個電路中由一個未知值得電容或電感，或者電路中有個寄生的電容存在，那我們又該如何知道它的大小呢。本文就介紹了一個用單片機構成的可以測量小容量電容電感的簡易測量儀。

1 測量儀設計原理

該電容電感測量儀的測量原理就是基于測量振蕩器頻率的方法，測量儀的核心是一個由LM311芯片組成的振蕩器，可以測出LC振蕩電路中的電容和電感的值。不過由于單片機測量頻率的范圍有限，同時也為了減小測量誤差，當單片機在測量LC振蕩回路頻率的時候，可以先測量一個標準已知電容的振蕩頻率，然后再根據此基準電容值計算得出被測的電容量和電感量[1]。

2 硬件電路的設計

電容電感測量儀的硬件電路主要包括LC振蕩器、51單片機和LED顯示器這三大件。其中LC振蕩器是由電容、電感，電阻和LM311比較器芯片組成。在電路組裝好之后，要對電路進行檢查，看其振蕩器是否能正常起振，可以用示波器在LM311的7引腳觀察有無振蕩波形輸出，如果有，則可初步判定振蕩器可以正常工作。

3 LC振蕩電路設計

當電容電感全為未知的時候，我們可以先用RC振蕩器先測量出電容的值，當電容值知道后，再將被測電感和電容組成一個LC振蕩電路，再測出電感的值。其原理為把被測電容和電阻串聯，構成RC網絡，即一個RC振蕩器，該振蕩器的周期為T=A0×RC，A0為常數，當R為已知的時候，測出振蕩器的周期即可算出電容的值。然后把求得的電容值代入LC振蕩電路中，根據其振蕩頻率f=1/2π√LC[5]，測出此時振蕩器的頻率后即能算出電感的量[2]。

如果已知電容電感其中一個的量，則直接用LC振蕩器頻率公式即可算出其中的未知量。測量儀振蕩電路原理圖如圖1所示。

4 單片機主電路設計

顧名思義，測振蕩器的頻率就是測量其在1s內計數振蕩器脈沖的個數，因此，在用AT89C51單片機測量頻率時，用一個定時器作為1s定時，再用另一個定時器作為計數器，來計數1s內的脈沖個數，所得到的計數值就是振蕩器的頻率。不過，由于單片機中的定時器最大時間的限制，在使用12MHz晶振時，定時器的最大定時時間只有65.536ms，若取定周期為50ms，則需要20個定時周期才能定時1s完成振蕩器頻率的測量[3]。如果測量精度要求不高時，也可以只測量兩個定時周期即0.1s內的頻率計數，然后再把計數值乘10即為振蕩器頻率。本次做的測量儀是用T1做定時器、T0做16位計數器，T1的定時周期設為0.05s，連續中斷溢出兩次，即0.1s定時，這時計數器T0中的值乘10就是振蕩器的頻率了。圖2所示的是測量儀的單片機與振蕩器電路組成的測量儀主電路[4]。

5 LED顯示電路設計

該測量儀采用的是六位數碼管來顯示被測的電容電感值，并由一個74LS164芯片來驅動。通過單片機串口發送的數據來驅動每一位數碼管，它通過靜態顯示來顯示每一位數值，發送每一組數據只需單片機發送一次信號即可，其連接圖如圖3[5]所示。

6 測量儀軟件編程

該程序由C語言進行編寫，程序開發環境為keil4，程序除了主函數外，主要包括測頻率、計算電容LED顯示三大部分。該測量儀編程難度不是很大，只需要一些基礎的C51語言編程知識，不過對51單片機各管腳的功能及用法要有所了解。

7 結束語

本文利用AT89C51單片機設計了一個電容電感測量電路，給出了探測和單片機電路原理圖，以及數碼顯示電路圖，本系統結構簡單，費用低廉，系統穩定性較好，相對簡單易用。

參考文獻：

[1]馬忠梅，等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[2]張靖武，周靈彬.單片機系統的PROTEUS設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]周潤景，等.PROTEUS入門實用教程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]丁明亮，唐前輝.51單片機應用設計與仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]陳江華.一種實用的電容、電感、電阻自動測量儀[J].測量與測試技術，2002（1）：21-22.