一种简易RLC测量系统的研制

于 柏， 费 腾， 只德瑞

（天津商业大学信息工程学院，天津300134）

0 引 言

随着电子工业的发展，电子产品90%以上的外围电路都是由电阻、电容、电感组成的，在产品设计和设备维护中经常要测量电阻、电容和电感的大小。

多数情况下，使用万用表进行电路和元件参数的测量，万用表虽然结构简单，携带方便，它在测量过程中却有一定的局限性，尤其在对电容、电感参数测量时，在量程范围和准确性上都大打折扣。随着测量技术发展，目前国内外使用的RLC自动测试仪都具有检测速度快、测量过程自动化等优点［1］，但也普遍存在硬件电路复杂，价格昂贵，体积庞大，携带不便，尤其在测试操作过程中需要进行参数设定等不足［2］。本系统以STC89C52 单片机为控制核心，搭配简易的外围控制、检测和信号发生电路对电阻、电容和电感参数进行实时测量。该测量装置价格便宜、操作简单、体积小、功能强大、便于携带，具有广泛的使用价值和应用前景。

1 系统设计方案

在研制的RLC 测量系统中，一方面需要对电阻、电容、电感参数进行实时现场检测，同时又要让测试结果能快速、稳定、准确地显示出来。根据这些测量需求，最终设计的系统总体框图如图1 所示。

图1 简易测量系统原理框图

2 系统硬件

系统采用STC89C52RC 单片机为主控芯片，JSYMK-163 单相互感计量模块为辅助，系统主要用来实现对电阻、电容、电感等分立元件及它们的任意组合现场进行参数测量，能快速、稳定、准确地将被测参数在LCD1602 上进行显示［4］，同时设置了过流保护电路，当电感过流测量时［5］，能自动切断电源并实现报警。

根据实现的功能特性，系统分为以下几个系统模块：开关电源供电、升压电路、信号源、JSY-MK-163 单相互感计量、过流保护、LCD1602 液晶显示和键盘按键选择等模块。这些模块按各自功能相互协调工作，构成整个简易测量设备的硬件系统。

2.1 开关电源模块

系统供电部分采用HF10W-S-5 单路开关电源，该电源模块输入电压范围170 ～264 VAC，输出2 A、5 V直流电源，内部采用隔离、过载和短路保护，这种电源体积小、功耗低、转换效率高，重量轻［6］，具有极高的稳定性和可靠性。开关电源一方面为单片机和计量模块提供工作电源，同时为升压模块提供5V 输入电压。其实物如图2 所示，电源模块电路原理如图3 所示。

图2 HF10W-S-5实物图

图3 HF10W-S-5电路原理图

2.2 升压电路模块

升压电路模块选用一款高效率、直流升压稳压电路。内部芯片SX1318 采用标准的SOP-8 无铅封装，其应用电路非常简单，外围器件极少，输入电压范围可由3.7 ～42 V，输出电压3.7 ～42 V 可调整且内部MOSFET输出电流可高达2A，非常适合于产品内部模块间的电压转换。电路原理如图4 所示，通过对SX1318外围电阻R2和R1的调节，可以任意改变其输出电压的高低［7］。本系统中升压电路模块的工作电压为5 V，为信号源模块提供的输入电压为直流18 V。实物图如图5 所示。

图4 升压电路原理图

图5 升压模块实物图

2.3 信号源模块

信号源模块设计是整个测量系统设计的关键，模块要为待测元件提供稳定、可靠、失真度极小的检测信号，以确保测量参数的准确性。NE555 定时器芯片价格低廉，是一款应用广泛的集成电路，芯片只需外接少量的阻容元件和小功率三极管，就可以构成多路波形发生器，可产生方波、三角波、正弦波等波形，被广泛用于信号的产生、变换、控制与检测系统中［8］。该信号源模块设计的原理如图6 所示，实物模块如图7 所示，其最终输出为正弦交流电压信号，频率40 ～60 Hz、电压值8 ～18 V可调。

图6 波形发生原理图

图7 信号源模块实物图

2.4 计量模块

JSY-MK-163 型单相互感计量模块集成了测量和数字通信技术，能够完成电能测量、采集及传输的单相交流电参数测量，能够准确测量单相交流电压、电流、功率、功率因数、频率等电参数。具有1 路TTL 电平接口，体积小，接口简单，具有极优的性价比。该模块能通过信号源提供的检测信号完成对电阻、电容、电感等相关参数的测量。其实物如图8 所示。

图8 JSY-MK-163模块实物图

JSY-MK-163 计量模块和STC89C52RC 单片机通过RS-485 通信接口，采用标准MODBUS-RTU 协议进行各种数据信息的传送。检测元器件原理如图9 所示。图中的us为信号源模块产生的正弦波检测信号，Rs为信号源内阻，U为计量模块测出待测元器件两端的电压，A为计量模块测出流过元器件的电流，同时计量模块还可测量频率、功率因数等数值，这4 个数据的检测结果被存储到单片机的4 个对应的存储单元，单片机根据键盘按键选择模块判断待测元件的各种组合形式，调用相应的计算程序，将计算结果在液晶显示屏上进行参数数值和单位的显示［9］。

图9 待测元件串并联模式原理图

2.5 过流保护模块

检测电路测量电感参数，当流过电感的电流超过其最大额定值时，会造成电感元件损坏，因此，设计一个过流保护模块，该模块主要由固态继电器和光电耦合器组成，电路结构简单，响应速度快，在电流过大时，能快速切断电感检测回路，起到过流保护的作用［10］。电路如图10 所示，固态继电器实物如图11 所示。

图10 过流保护模块原理图

图11 固态继电器实物图

检测电路正常工作时，单片机P2.3 口输出低电平，TLP251 光电耦合器中的发光二极管正常工作，光敏三极管处于导通状态，固态继电器3、4 端子间接＋5V电源，1、2 端子处于导通状态，外接检测电路正常工作；当STC89C52RC采集到电感测量电路过流信号时，触发单片机中断，执行中断保护程序［11］，此时在其P2.3 口输出一个高电平信号，光耦左右两侧均处于截止状态，此时固态继电器3、4 端子截止，1、2 端子同时截止，断开电感测量回路，触发电路过流保护。

3 软件流程

系统软件流程如图12 所示。系统在上电或收到复位信号后，程序进行初始化设置，然后循环进行按键扫描，检测是否有按键按下，收到按键信号后进行测量状态选择，同时向计量模块发送查询信息，其中包括设备地址、功能代码、数据信息码及校验码，作为应答，计量模块将设备地址、功能代码、数据信息码、校验码发给单片机系统，完成测量数据的收集工作。系统根据键盘按键选择模块提供的测量信息，从微机中调出相应的计算程序，完成参数的计算，同时将结果发送给LCD1602 液晶屏进行实时显示［12］。

图12 系统测量程序流程图

4 系统测试结果

简易RLC测量系统是以单片机为控制核心，搭配必要的外围电路模块完成对电阻、电容及电感等参数的测量，整个测量系统利用计量模块进行数据信号的采集和传送，单片机通过选择按键调用相应的运算程序，计算出待测元件的各个参数并显示在液晶屏上［13］。整个硬件系统实物如图13 所示。

图13 硬件系统整体实物图

分别选取8 个不同的电阻、电容和电感元件，通过实际测量后，把测量参数利用Matlab 软件经数据分析和统计处理，得到如图14 所示结果。

图14 Matlab误差比对图

从Matlab数据误差分析比对图看，电阻、电容、电感等参数测量的结果与实际值比较基本达到了要求，但是系统实际测量时在功能状态切换及人机交换智能化方面仍需做进一步改进［14］。

5 结 语

简易RLC 测量系统通过硬件电路和软件程序的有机结合，以较低成本实现了高精度动态参数测量，以STC89C52RC单片机最小系统为核心，单相互感计量模块为辅助，通过开关电源、升压、信号源、过流保护、按键选择及液晶显示等模块的外围电路组合设计，完全满足测量工作需求，系统在稳定性、可靠性、响应速度等方面和同类设备相比有了显著提升，具有广泛的应用前景［15］。