基于Arduino的RLC測量儀的研究與設計

賴瑞鏹

摘? ?要：本文介紹了一種基于Arduino的電阻、電容、電感測量儀;該測量儀可測量電子設計中常用的電阻、電容以及電感的值。Arduino主板上的單片機通過檢測NE555構成的多諧振蕩器電路產(chǎn)生的波形的頻率，經(jīng)過轉(zhuǎn)換從而測量出RLC的值。測量電感時NE555電路輸出的波形頻率較高，則通過一個分頻器將頻率降低后再傳輸?shù)紸rduino主板的單片機進行計算。測量時，將待測元器件接入到對應的接入端口，按下對應測量按鍵，顯示屏上顯示測量到的頻率以及對應的測量值。

關鍵詞：Arduino? RLC測量? 頻率? NE555

中圖分類號：TM934? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0121-04

Abstract： This paper describes an Arduino-based resistor， capacitor， and inductance meter that measures the values of electric-resistors， electric-capacitors， and electric-sensor commonly used in electronic design. The MCU on the Arduino motherboard detects the RLC value by detecting the frequency of the waveform generated by the multiple-vibrator circuit formed by NE555. When measuring the inductance， the output frequency of the NE555 circuit is higher， and the frequency is reduced by a frequency divider and then transmitted to the micro-controller of the Arduino motherboard for calculation. When measuring， connect the component to be tested to the corresponding access port， press the corresponding measurement button， and the frequency measured and the corresponding measured value are displayed on the display.

Key Words： Arduino; RLC? measure;? Frequency; NE555

電子測量儀器是從事電子設計工作的電子工程師們在設計、檢測電路時一種必不可少的測量工具，隨著智能化的不斷發(fā)展，測量工具也必將朝著智能化的功能多樣化發(fā)展。目前最常用的電子測量儀器是數(shù)字萬用表，進入20世紀90年代以來，數(shù)字萬用表在我國不斷發(fā)展，在實際生產(chǎn)中不斷被使用，現(xiàn)在已經(jīng)成為學習、實驗、電子設計、維修工作的一個重要工具。數(shù)字萬用表主要是要測量的元器件數(shù)值通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成直流電壓的信號[1]，轉(zhuǎn)換之后的信號由A/D（模擬和數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過計數(shù)器進行計數(shù)，最終將結果呈現(xiàn)在顯示屏上;該類型儀器的測量精度主要決定于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。目前國內(nèi)外儀器設備制造公司在設計數(shù)字萬用表時都一直往低功耗、高精度、體積小等方向考慮;在精度提高、功耗降低、體積變小的同時價格也不斷在上升。在使用數(shù)字萬用表的時候很大部分使用的是其測量電壓和電流的功能，并且具有一定的局限性，比如：大部分無法測量電感，無法測量容量較大的電容。因此設計一個操作簡單、測量方便、價格低的電抗性元器件測量儀是很有必要的。本文所設計的RLC測量儀是能夠測量電阻、電感、電容的測量儀器，主要是通過測量其電抗性元器件組成的電路所產(chǎn)生波形的頻率，Arduino主控板上的單片機通過外部中斷采集其頻率，經(jīng)過換算將對應元器件的值顯示OLED屏幕上。使用少數(shù)的元器件以及IC，該測量儀具有價格低、操作簡單、測量方便等特點。

1? 系統(tǒng)設計方案

本設計采用Arduino UNO為主控板，整個系統(tǒng)由7個模塊組成：電阻測量電路、電感測量電路、電容測量電路、頻率測量電路、測量輸入選擇電路、按鍵電路、顯示電路。整個系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

在測量過程中，先將待測的元器件接入到對應的接入端口，對應測量模塊所組成的多諧振電路輸出波形，按下對應的測量按鍵，74LS153測量選擇電路選擇輸入，頻率信號接入單片機外部中斷I/O口，單片機對頻率進行計數(shù)，從而測量出振蕩頻率，測量出的頻率經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到待測元器件的數(shù)值[2];顯示電路顯示頻率以及轉(zhuǎn)換后的元器件值。測量電感的多諧振電路輸出的頻率較大，因此要采用74LS90對其進行分頻處理。

2? 硬件電路設計

2.1 主控板

主控板采用的是Arduino UNO板，Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口simple I/O接口板[3];Arduino UNO板是一款入門級的單片機開發(fā)板，其主控芯片采用的是高性能、低功耗、高耐力的ATmega328P，它的核心處理器是AVR。Arduino UNO與其他型號開發(fā)板一致所用的開發(fā)環(huán)境是Arduino IDE，集成的Arduino IDE能夠幫助初學者快速掌握和利用單片機功能。Arduino UNO的工作電壓為5V;有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中有3、5、6、9-11這幾個引腳可以用作PWM輸出），最大輸出電流為40mA;6路分辨率為10位的模擬量輸入（A0-A5），可以直接將現(xiàn)實中的模擬量直接轉(zhuǎn)換成對應的10位數(shù)字量;一個模擬輸入信號的參考電壓引腳（AREF）;16MHz晶振時鐘;具有32KB的Flash內(nèi)存（其中有0.5KB用作于引導程序）。

2.2 按鍵電路與測量輸入選擇電路

本設計通過三個獨立按鍵選擇測量模式以及顯示信息;測量輸入選擇則采用的是74LS153選擇輸入。當74LS153芯片的使能端1E（2E）=0時，多路開關正常工作，根據(jù)地址碼（A和B）的狀態(tài)不同，將X0-X3的數(shù)據(jù)傳送到輸出端Y;例如：當A、B地址碼接收到低電平，則選擇器的X0數(shù)據(jù)傳送到輸出端Y（即Y=X0）;本設計只要選擇三個信號輸入，因此只用到三個數(shù)據(jù)輸入端。具體的連接如圖2所示。三個按鍵為了保證一開始的電平為高電平連接三個電阻上拉。測量時，將待測電阻接入到接入端口時，NE555多諧振電路工作輸出頻率，1X0與 多諧振電路NE555芯片輸出端3連接，這個時按下按鍵SW1，測量電阻值，AB地址碼都為0，74LS153選擇器的1X0數(shù)據(jù)傳送到1Y，1Y輸出端與Arduino uno主控板的2引腳（INT0） 連接。以此類推，測量電感地址碼A=0、B=1，1X1=1Y;測量電容地址碼A=1、B=0，1X0=1Y。

2.3 RLC測量電路

RLC測量電路是本設計中最主要的組成部分，電阻、電感、電容測量采用的都是由NE555構成多諧振器測量其振蕩頻率的方法。NE555是一款8腳的時基集成電路，只需要簡單的電阻、電容就能完成特定的振蕩;NE555的作用范圍很廣，但一般多應用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器兩種[4]。

2.3.1 電阻測量電路

測量電路采用NE555典型應用電路（多諧振蕩器），由電阻R1、R2和電容C2、C1構成定時電路。電阻測量電路圖如圖3所示。原理如下：電阻測量電路上電之后，電源VCC經(jīng)過R1、R2為C2充電，C2的電壓小于VCC，內(nèi)部觸發(fā)器中的放電管處于導通狀態(tài)，C2處于繼續(xù)充電狀態(tài)，其電壓不斷上升，電壓在未達到VCC之前，觸發(fā)器中的放電管仍為導通狀態(tài);當C2的電壓大于VCC之后，觸發(fā)器工作產(chǎn)生復位動作，其中的放電管為截止狀態(tài)，C2充電電荷經(jīng)R2泄放，C2電壓高于VCC時，觸發(fā)器輸出端都保存之前的工作狀態(tài)。R1、R2、C2構成的電路與放電光相結合，NE555的2、6引腳輸入端根據(jù)電壓的高低發(fā)生了電位變化，從而內(nèi)部比較器控制觸發(fā)器產(chǎn)生0、1的矩形波，完成振蕩輸出。其中C1為消噪電容。當R2、C2值固定時改變R1的值電路振蕩產(chǎn)生的頻率也發(fā)生變化。根據(jù)電容C2充放電的脈沖時間維持可得到其脈沖頻率。其公式如下：

充電所需時間：

t1=（R1+R2）×C2×ln2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

放電所需時間：t2=（R2）×C2×ln2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

脈沖輸出頻率：? ? ? ? ? （3）

由式（3）可得：RX=R1=-2R2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

因此將待測電阻作為R1接入到電路中即可測量出待測電阻RX的阻值，電阻測量電路中消噪電容C1=C2=0.1uF，R2=10kΩ。

2.3.2 電容測量電路

測量電容電路與測量電阻電路原理一致，電容測量電路如圖4所示。

由式（3）可得：CX=C2=

因此將待測電容作為C2接入到電路中即可測量出待測電容CX的值，電容測量電路中消噪電容C1=C3=0.1uF，R1=R2=R3=R4=510kΩ。

2.3.3 電感測量電路與分頻電路

使用NE555定時器構成的多諧振蕩器測量電感原理如下：整個振蕩器上電之后，電感L1的電流并未發(fā)生大的變化，隨著電流的不斷增大，電阻R9的壓降也不斷增大，引腳2（TR）和6（TH）的輸入電壓在減小，當2、6引腳上的電壓小于VCC時電路翻轉(zhuǎn);3（OUT）引腳輸出高電平，引腳7為高阻態(tài)（與地斷開）。R9和L1組成的回路斷開，電感處于放電過程，R5的壓降隨電流減小而減小，而引腳2（TR）和6（TH）的輸入電壓不斷增大，當電壓大于VCC時電路再次翻轉(zhuǎn);3（OUT）引腳輸出低電平，引腳7為地阻態(tài)（對地導通），L1則再次充電;如此L1重復充電放電過程實現(xiàn)自振蕩，根據(jù)電路輸出波形的高低電平時間可得到其輸出頻率，公式如下：

輸出波形高電平時間：? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

輸出波形高電平時間：? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

輸出頻率：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

由式（7）可得：LX=L1=（其中τ=）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

因此將待測電感作為L1接入到電路中即可測量出待測電感LX的值，電感測量電路中消噪電容C4=0.1uF，R9=100Ω。測量電感電路如圖5所示。

電感測量電路構成的多諧振蕩器輸出引腳3（OUT）的頻率較高，因此需要先將輸出頻率經(jīng)過74LS90組成的分頻電路進行10分頻，分頻之后的頻率再通過單片機外部中斷采集。74LS90是一個中規(guī)模集成的TTL電平計數(shù)器，由一個二進制計數(shù)器和一個五進制計數(shù)器構成，通過引腳間的連接即可實現(xiàn)二分頻、五分頻以及十分頻等功能[5]。74LS90十分頻連接圖如圖5所示。

3? 軟件設計

整個系統(tǒng)上電之后，Arduino開發(fā)板開始工作進入初始化狀態(tài);按下按鍵SW1，進入測量電阻程序，測量選擇器選擇1X0輸入端口數(shù)據(jù)輸出，系統(tǒng)測量到振蕩器輸出頻率經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算得到R值，測量到的頻率F和阻值顯示在OLED屏幕上。同理，當按下按鍵SW2、SW3時，分別進入測量電容、電感程序，測量選擇器選擇1X1、1X2輸入端口數(shù)據(jù)輸出，系統(tǒng)測量到振蕩器輸出頻率經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算得到C、L值，測量到的頻率F和C、L值顯示在OLED屏幕上。整個系統(tǒng)的主程序框圖如圖6所示。

4? 結語

本文介紹的RLC測量儀是以Arduino開發(fā)板為主控板，電阻、電容、電感測量都采用NE555定時器構成的多諧振蕩器通過測量其振蕩頻率之后再進行轉(zhuǎn)換計算從而得到要測量的值。該測量儀僅有三個按鍵，操作簡單、功耗低，使用的電路元件結構簡單，造價成本低。通過仿真測試，測量儀的精度較高，在學習、實驗以及電路維修中有一定的使用價值。

參考文獻

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[2] 王明娟，曾繁政，曲藝.電容電感測試儀的設計[J].電子科技，2010，23（11）：35-37.

[3] 鄭昊，鐘志峰，郭昊，等.基于Arduino/Android的藍牙通信系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2012，2（5）：50-51.

[4] 何香玲.多諧振蕩器的研究與仿真[J].電子技術，2009，46（2）：53-56.

[5] 陳圣濤.基于中規(guī)模集成電路實現(xiàn)任意進制定時器[J].西安文理學院學報：自然科學版，2018，21（4）：37-41.