基于单片机的RLC电抗参数测试系统设计与应用

曹新敏 晏勇

摘 要：针对传统RLC电抗参数测试系统复杂、功耗大、精度低等方面的局限，设计了一种基于单片机的RLC电抗参数测试系统，利用振荡电路与待测元件的线性关系准确测量RLC器件的电抗参数。系统采用STC89C52单片机作为中心控制器，NE555产生计数脉冲，CD4052模拟开关切换测量模式，操作简单实用。经实验测试，RLC参数测试系统响应快、精度高、稳定性强，具有很强的使用价值。

关键词：RLC；单片机；NE555；模拟开关；多谐振荡

*基金项目：阿坝州应用技术研究与开发重点项目（19YYJSYJ0091）；四川省教育信息技术“十三五”规划课题（川教馆2019-142）。阿坝师范学院自然科学重点项目（ASA19-17）

目前RLC电抗测试类设备基本工作原理为电阻器电阻值变化量，电容器电容值的变化以及电感器电感值的变化量均转换为电压变化或频率，通过高精度AD采集或频率检测等方法获得确定的电抗数值，确定相应器件的具体参数[1]。

在现代电子信息科学研究中，需要对电阻、电容或电感的电抗参数进行测量，万用表以其简单易用、功耗低等优点被大部分人所采用。然而万用表存在局限性，如不能测量电感与大容量电容。因此，研制一种简单易用的RLC电抗参数测量仪器十分必要，存在巨大的市场空间。

1 系统结构设计

测试系统采用MCU作为电阻、电容、电感的电抗参数测试中心控制器，实现对其电抗参数的测试。系统分为参数测量模块、通道选择模块、控制电路模块和显示模块四个部分，通过输入输出端口向模拟开关发送两位地址信号，得到相应的振荡频率，根据输出频率切换测试量程，同时进一步处理电抗参数输出值，系统结构框图如图1。

控制电路模块以STC89C52为核心，具有中断、定时、计数等功能模块。系统设计中，采用LCD1602作为显示器，CD4502作为模拟开关、NE555与3个测量模式控制按键分别为SR、SC、SL，切换不同参数测量模式，实现智能选择并测量。通道选择由MCU控制CD4052模拟选择开关完成档位切换。测量电路中RC震荡电路采用555振荡器与电容三端式振荡电路，实现电抗参数的间接测量[2]。

2 硬件电路设计

2.1 ST C89C52单片机电路设计

基于MCU的RLC电抗参数测试系统采用STC89C52 中心控制器，最小系统包括电源模块、复位模块、晶振时钟模块、串口下载模块[3]，单片机最小系统如图2所示。

2.2 显示电路及按键电路设计

在RLC电抗参数测试过程中，LED用于显示电抗参数类别和电源状态指示，方便直观。系统MCU的I/O 与LED采用共阳方式连接，控制程序放在STC89C52的ROM中，I/O口输出低电压，相连的状态显示LED被点亮；I/O口输出高电压，状态显示LED熄灭，LED接口电路如图3所示。

在LED电路中，每个LED与MCU的I/O之间都必须串联限流电阻，而且阻值至少为180 。按照电源电压2.3 V时正常发光工作电流为15 mA计算，分去5 V电源电压中的2.7 V电压，则得到

系统设计中设置了SR、SC、SL模式按键，分别与单片机P1.3、P1.4和P1.5直接相连，按键电路如图4所示。

2.3 电阻测量电路设计

2.4 电容测量电路设计

电容电抗参数测量方法也是采用“脉冲计数法”，由555时基电路构成多谐振荡电路[6]，通过计算振荡器输出频率计算被测电容的大小[7]，电容测量原理如图6。555电路多谐振荡器振荡周期为：

3 软件设计

系统软件设计，以单片机作为控制器，控制按键选择参数测量模式，通过LCD显示测量结果，模式控制按键处理流程如图8。

RLC电抗参数测试系统设计中，为了操作方便、直观，LED显示被测参数的模式，通过按键SR、SC、SL来进行控制，按键子程序操作流程如图9。

测试中放入待測元器件，开启电源，选择测量参数模式。首先选择被测元件电抗参数的类别，MCU控制器根据模式开启不同的测试模块程序，测试完成后结果通过LED显示。

4 实验与测试

4.1 液晶显示电路调试

显示电路分别与MCU的P1.0、P1.1、P1.2相连接，显示测量结果。接通电源，用示波器測试输出波形，输出显示为方波，电路焊接无误工作正常，否则硬件电路存在故障，应断电检查。改变电源输出电压，输出方波频率会随之发生变化。经测试，当Vcc为3.25 V左右时误差较小。

4.3 实验数据

5 结束语

系统采用STC89C52为核心，便于携带，稳定性强，调试和维护简便。通过555振荡器与电容三端式振荡器产生不同振荡频率，测试频率通过CD4052模拟开关输入单片机计数，显示电路显示被测参数的测量值。根据按键选择情况，控制被测参数所对应的子程序，灵活控制被测参数档位切换。经测试，RLC参数测试系统精度高、响应快、抗干扰能力强，具有很强的使用价值。

参考文献：

[1] 瓮嘉民，蒋威，陈孝宗.电感电容频率—体化简易测量仪设计[J].电子器件.2019，38（09）：148-152.

[2] 刘福星，任全会.便携式电容电感测试系统设计[J].郑州铁路职业技术学院学报， 2019，34（08）：67-70.

[3] 王剑，王党朝，黄永超，等.基于Labview的仿真暂态过程测量仪开发[J].内江师范学院学报，2019，34（08）：48-52.

[4] 于柏，费腾，只德瑞.一种简易RLC测量系统的研制[J].实验室研究与探索，2021，40（01）：130-134.

[5] 王韦刚，张云伟，田龙彬.一种谐振频率的简便求解与测量[J].国外电子测量技术，2019，42（23）：25-29.

[6] 东忠阁.基于LabVIEW的RLC测量仪设计[J].电子科学技术， 2017，04（05）：28-31.

[7] 吴勇，汪树青.电LCR测量仪校准方法研究[J].电子世界，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] 赖瑞镪.基于Arduino的RLC测量仪的研究与设计[J].科技创新导报，2019，16（18）：121-124.

[10] 王杰.基于51单片机的电容电感测量仪设计[J].科技创新与应用，2019（24）：32-33.

[11] 王勇，王梨英.高精度测量仪的研究与设计[J].电子世界，2018， （06）：140-160.

[12] 黄江.基于STM32 的高精度电容测量仪设计[J].科技创新导 报，2017（27）：139-141.