基于單片機(jī)的RLC電抗參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

曹新敏 晏勇

摘 要：針對傳統(tǒng)RLC電抗參數(shù)測試系統(tǒng)復(fù)雜、功耗大、精度低等方面的局限，設(shè)計了一種基于單片機(jī)的RLC電抗參數(shù)測試系統(tǒng)，利用振蕩電路與待測元件的線性關(guān)系準(zhǔn)確測量RLC器件的電抗參數(shù)。系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為中心控制器，NE555產(chǎn)生計數(shù)脈沖，CD4052模擬開關(guān)切換測量模式，操作簡單實(shí)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，RLC參數(shù)測試系統(tǒng)響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的使用價值。

關(guān)鍵詞：RLC；單片機(jī)；NE555；模擬開關(guān)；多諧振蕩

*基金項目：阿壩州應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)重點(diǎn)項目（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)項目（ASA19-17）

目前RLC電抗測試類設(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，通過高精度AD采集或頻率檢測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，需要對電阻、電容或電感的電抗參數(shù)進(jìn)行測量，萬用表以其簡單易用、功耗低等優(yōu)點(diǎn)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(shù)測量儀器十分必要，存在巨大的市場空間。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)采用MCU作為電阻、電容、電感的電抗參數(shù)測試中心控制器，實(shí)現(xiàn)對其電抗參數(shù)的測試。系統(tǒng)分為參數(shù)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(guān)發(fā)送兩位地址信號，得到相應(yīng)的振蕩頻率，根據(jù)輸出頻率切換測試量程，同時進(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、計數(shù)等功能模塊。系統(tǒng)設(shè)計中，采用LCD1602作為顯示器，CD4502作為模擬開關(guān)、NE555與3個測量模式控制按鍵分別為SR、SC、SL，切換不同參數(shù)測量模式，實(shí)現(xiàn)智能選擇并測量。通道選擇由MCU控制CD4052模擬選擇開關(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(xiàn)電抗參數(shù)的間接測量[2]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 ST C89C52單片機(jī)電路設(shè)計

基于MCU的RLC電抗參數(shù)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(fù)位模塊、晶振時鐘模塊、串口下載模塊[3]，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 顯示電路及按鍵電路設(shè)計

在RLC電抗參數(shù)測試過程中，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。

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(shè)計中設(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。

2.3 電阻測量電路設(shè)計

2.4 電容測量電路設(shè)計

電容電抗參數(shù)測量方法也是采用“脈沖計數(shù)法”，由555時基電路構(gòu)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(shè)計

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

RLC電抗參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計中，為了操作方便、直觀，LED顯示被測參數(shù)的模式，通過按鍵SR、SC、SL來進(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，開啟電源，選擇測量參數(shù)模式。首先選擇被測元件電抗參數(shù)的類別，MCU控制器根據(jù)模式開啟不同的測試模塊程序，測試完成后結(jié)果通過LED顯示。

4 實(shí)驗(yàn)與測試

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，顯示測量結(jié)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(yīng)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(jīng)測試，當(dāng)Vcc為3.25 V左右時誤差較小。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

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)簡便。通過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CD4052模擬開關(guān)輸入單片機(jī)計數(shù)，顯示電路顯示被測參數(shù)的測量值。根據(jù)按鍵選擇情況，控制被測參數(shù)所對應(yīng)的子程序，靈活控制被測參數(shù)檔位切換。經(jīng)測試，RLC參數(shù)測試系統(tǒng)精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的使用價值。

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