一種簡易RLC測量系統(tǒng)的研制

于 柏， 費 騰， 只德瑞

（天津商業(yè)大學信息工程學院，天津300134）

0 引 言

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子產(chǎn)品90%以上的外圍電路都是由電阻、電容、電感組成的，在產(chǎn)品設計和設備維護中經(jīng)常要測量電阻、電容和電感的大小。

多數(shù)情況下，使用萬用表進行電路和元件參數(shù)的測量，萬用表雖然結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，它在測量過程中卻有一定的局限性，尤其在對電容、電感參數(shù)測量時，在量程范圍和準確性上都大打折扣。隨著測量技術(shù)發(fā)展，目前國內(nèi)外使用的RLC自動測試儀都具有檢測速度快、測量過程自動化等優(yōu)點［1］，但也普遍存在硬件電路復雜，價格昂貴，體積龐大，攜帶不便，尤其在測試操作過程中需要進行參數(shù)設定等不足［2］。本系統(tǒng)以STC89C52 單片機為控制核心，搭配簡易的外圍控制、檢測和信號發(fā)生電路對電阻、電容和電感參數(shù)進行實時測量。該測量裝置價格便宜、操作簡單、體積小、功能強大、便于攜帶，具有廣泛的使用價值和應用前景。

1 系統(tǒng)設計方案

在研制的RLC 測量系統(tǒng)中，一方面需要對電阻、電容、電感參數(shù)進行實時現(xiàn)場檢測，同時又要讓測試結(jié)果能快速、穩(wěn)定、準確地顯示出來。根據(jù)這些測量需求，最終設計的系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 簡易測量系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)采用STC89C52RC 單片機為主控芯片，JSYMK-163 單相互感計量模塊為輔助，系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)對電阻、電容、電感等分立元件及它們的任意組合現(xiàn)場進行參數(shù)測量，能快速、穩(wěn)定、準確地將被測參數(shù)在LCD1602 上進行顯示［4］，同時設置了過流保護電路，當電感過流測量時［5］，能自動切斷電源并實現(xiàn)報警。

根據(jù)實現(xiàn)的功能特性，系統(tǒng)分為以下幾個系統(tǒng)模塊：開關(guān)電源供電、升壓電路、信號源、JSY-MK-163 單相互感計量、過流保護、LCD1602 液晶顯示和鍵盤按鍵選擇等模塊。這些模塊按各自功能相互協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成整個簡易測量設備的硬件系統(tǒng)。

2.1 開關(guān)電源模塊

系統(tǒng)供電部分采用HF10W-S-5 單路開關(guān)電源，該電源模塊輸入電壓范圍170 ～264 VAC，輸出2 A、5 V直流電源，內(nèi)部采用隔離、過載和短路保護，這種電源體積小、功耗低、轉(zhuǎn)換效率高，重量輕［6］，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。開關(guān)電源一方面為單片機和計量模塊提供工作電源，同時為升壓模塊提供5V 輸入電壓。其實物如圖2 所示，電源模塊電路原理如圖3 所示。

圖2 HF10W-S-5實物圖

圖3 HF10W-S-5電路原理圖

2.2 升壓電路模塊

升壓電路模塊選用一款高效率、直流升壓穩(wěn)壓電路。內(nèi)部芯片SX1318 采用標準的SOP-8 無鉛封裝，其應用電路非常簡單，外圍器件極少，輸入電壓范圍可由3.7 ～42 V，輸出電壓3.7 ～42 V 可調(diào)整且內(nèi)部MOSFET輸出電流可高達2A，非常適合于產(chǎn)品內(nèi)部模塊間的電壓轉(zhuǎn)換。電路原理如圖4 所示，通過對SX1318外圍電阻R2和R1的調(diào)節(jié)，可以任意改變其輸出電壓的高低［7］。本系統(tǒng)中升壓電路模塊的工作電壓為5 V，為信號源模塊提供的輸入電壓為直流18 V。實物圖如圖5 所示。

圖4 升壓電路原理圖

圖5 升壓模塊實物圖

2.3 信號源模塊

信號源模塊設計是整個測量系統(tǒng)設計的關(guān)鍵，模塊要為待測元件提供穩(wěn)定、可靠、失真度極小的檢測信號，以確保測量參數(shù)的準確性。NE555 定時器芯片價格低廉，是一款應用廣泛的集成電路，芯片只需外接少量的阻容元件和小功率三極管，就可以構(gòu)成多路波形發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波、正弦波等波形，被廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測系統(tǒng)中［8］。該信號源模塊設計的原理如圖6 所示，實物模塊如圖7 所示，其最終輸出為正弦交流電壓信號，頻率40 ～60 Hz、電壓值8 ～18 V可調(diào)。

圖6 波形發(fā)生原理圖

圖7 信號源模塊實物圖

2.4 計量模塊

JSY-MK-163 型單相互感計量模塊集成了測量和數(shù)字通信技術(shù)，能夠完成電能測量、采集及傳輸?shù)膯蜗嘟涣麟妳?shù)測量，能夠準確測量單相交流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)。具有1 路TTL 電平接口，體積小，接口簡單，具有極優(yōu)的性價比。該模塊能通過信號源提供的檢測信號完成對電阻、電容、電感等相關(guān)參數(shù)的測量。其實物如圖8 所示。

圖8 JSY-MK-163模塊實物圖

JSY-MK-163 計量模塊和STC89C52RC 單片機通過RS-485 通信接口，采用標準MODBUS-RTU 協(xié)議進行各種數(shù)據(jù)信息的傳送。檢測元器件原理如圖9 所示。圖中的us為信號源模塊產(chǎn)生的正弦波檢測信號，Rs為信號源內(nèi)阻，U為計量模塊測出待測元器件兩端的電壓，A為計量模塊測出流過元器件的電流，同時計量模塊還可測量頻率、功率因數(shù)等數(shù)值，這4 個數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果被存儲到單片機的4 個對應的存儲單元，單片機根據(jù)鍵盤按鍵選擇模塊判斷待測元件的各種組合形式，調(diào)用相應的計算程序，將計算結(jié)果在液晶顯示屏上進行參數(shù)數(shù)值和單位的顯示［9］。

圖9 待測元件串并聯(lián)模式原理圖

2.5 過流保護模塊

檢測電路測量電感參數(shù)，當流過電感的電流超過其最大額定值時，會造成電感元件損壞，因此，設計一個過流保護模塊，該模塊主要由固態(tài)繼電器和光電耦合器組成，電路結(jié)構(gòu)簡單，響應速度快，在電流過大時，能快速切斷電感檢測回路，起到過流保護的作用［10］。電路如圖10 所示，固態(tài)繼電器實物如圖11 所示。

圖10 過流保護模塊原理圖

圖11 固態(tài)繼電器實物圖

檢測電路正常工作時，單片機P2.3 口輸出低電平，TLP251 光電耦合器中的發(fā)光二極管正常工作，光敏三極管處于導通狀態(tài)，固態(tài)繼電器3、4 端子間接＋5V電源，1、2 端子處于導通狀態(tài)，外接檢測電路正常工作；當STC89C52RC采集到電感測量電路過流信號時，觸發(fā)單片機中斷，執(zhí)行中斷保護程序［11］，此時在其P2.3 口輸出一個高電平信號，光耦左右兩側(cè)均處于截止狀態(tài)，此時固態(tài)繼電器3、4 端子截止，1、2 端子同時截止，斷開電感測量回路，觸發(fā)電路過流保護。

3 軟件流程

系統(tǒng)軟件流程如圖12 所示。系統(tǒng)在上電或收到復位信號后，程序進行初始化設置，然后循環(huán)進行按鍵掃描，檢測是否有按鍵按下，收到按鍵信號后進行測量狀態(tài)選擇，同時向計量模塊發(fā)送查詢信息，其中包括設備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)信息碼及校驗碼，作為應答，計量模塊將設備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)信息碼、校驗碼發(fā)給單片機系統(tǒng)，完成測量數(shù)據(jù)的收集工作。系統(tǒng)根據(jù)鍵盤按鍵選擇模塊提供的測量信息，從微機中調(diào)出相應的計算程序，完成參數(shù)的計算，同時將結(jié)果發(fā)送給LCD1602 液晶屏進行實時顯示［12］。

圖12 系統(tǒng)測量程序流程圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

簡易RLC測量系統(tǒng)是以單片機為控制核心，搭配必要的外圍電路模塊完成對電阻、電容及電感等參數(shù)的測量，整個測量系統(tǒng)利用計量模塊進行數(shù)據(jù)信號的采集和傳送，單片機通過選擇按鍵調(diào)用相應的運算程序，計算出待測元件的各個參數(shù)并顯示在液晶屏上［13］。整個硬件系統(tǒng)實物如圖13 所示。

圖13 硬件系統(tǒng)整體實物圖

分別選取8 個不同的電阻、電容和電感元件，通過實際測量后，把測量參數(shù)利用Matlab 軟件經(jīng)數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計處理，得到如圖14 所示結(jié)果。

圖14 Matlab誤差比對圖

從Matlab數(shù)據(jù)誤差分析比對圖看，電阻、電容、電感等參數(shù)測量的結(jié)果與實際值比較基本達到了要求，但是系統(tǒng)實際測量時在功能狀態(tài)切換及人機交換智能化方面仍需做進一步改進［14］。

5 結(jié) 語

簡易RLC 測量系統(tǒng)通過硬件電路和軟件程序的有機結(jié)合，以較低成本實現(xiàn)了高精度動態(tài)參數(shù)測量，以STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)為核心，單相互感計量模塊為輔助，通過開關(guān)電源、升壓、信號源、過流保護、按鍵選擇及液晶顯示等模塊的外圍電路組合設計，完全滿足測量工作需求，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性、響應速度等方面和同類設備相比有了顯著提升，具有廣泛的應用前景［15］。