单片机实例分享低廉甜头电感和电容测量仪

丈量事理

本丈量仪采取谐振法丈量电感和电容，其方法是用谐振回路的谐振特性来进行丈量，其丈量事理可用如图23.2所示的电路进行解释。

图23.1 电感和电容丈量仪

丈量电感Lx时，配用标准电容C1，用Lx和C1组成谐振回路，丈量出回路的谐振频率f即可打算出Lx的电感量;丈量电容Cx时，配用标准电感L1，用L1和Cx组成谐振回路，丈量出回路的谐振频率f即可打算出Cx的电容量。

上述丈量方法也有一个毛病：当Lx或Cx很小时，谐振频率f会很大，丈量比较困难，为此我们可以采取如图23.2所示的改进型电路，分别用L1和C1作“垫底”，降落了丈量时的谐振频率。

假设由 L1和C1 组成的谐振回路谐振频率为f1，丈量Lx时，Lx和L1串联，测得(L1+Lx)和C1组成的谐振回路谐振频率为f2，则根据下式可打算出Lx的电感量：

Lx=[(f1/f2)2-1]L1

丈量Cx时，Cx和C1并联，测得L1和(C1+Cx)组成的谐振回路谐振频率为f2，则可根据下式可打算出Cx的电容量：

Cx=[(f1/f2)2-1]C1

丈量仪电路如图23.2所示。
电路由LC振荡电路、单片机电路、显示电路等部分组成。

CD4069是6非门CMOS集成电路，个中非门F1、F2和C2、R1、R2等组成两级放大电路。
第一级放大电路中，R2是负反馈偏置电阻，将F1输出真个直流电位胁迫在VCC/2，使F1事情在线性放大区域。
第二级放大电路没有加反馈电阻，直接用第一级放大电路输出的直流电压作偏置电压，以提高放大器的增益。
放大电路通过正反馈回路R3、C3与L1、C1谐振电路一起组成正弦波振荡电路，非门F3用于旗子暗记整形，把F2输出的正弦波转换成矩形波输入到单片机ATmega8的T1脚，由单片机进行脉冲计数，从而测出LC回路的谐振频率。
通过单片机对数据进行打算处理后，由LCD1602液晶屏显示丈量结果。

图23.2 丈量仪电路事理图

S1为丈量转换开关，当S1转向L时丈量电感，转向C时丈量电容。
S2是归0按钮。

LCD1602采取4线制通报数据，只利用了数据端口D4～D7。

当开关S1在电容挡但没有丈量电容Cx，或在电感挡并且用短路线代替Lx时，电路的振荡频率约为503kHz，我们把这个频率称为基准频率。
测试电容或电感时，被测试元件的电容量或电感量越大，对应的振荡频率越低。
当被测电容的电容量为10F(或电感的电感量为1H)时，对应的振荡频率约为5.03kHz。

电阻R5的阻值掌握LCD1602液晶屏的比拟度，R5阻值越小，液晶屏比拟度越大。
LED和LED+是液晶屏背光发光二极管的供电端口。

丈量仪的电路比较大略，而功能的实现更主要地依赖于程序的设计。
程序的设计和优化须要花费更多的精力。

程序由频率丈量、测试数据的打算处理、LCD1602液晶屏驱动显示三大部分组成。
频率丈量部分用定时器T/C1作脉冲计数，定时器T/C2产生丈量脉冲频率的闸门韶光。
这里闸门韶光选择0.5s，定时器T/C1累计的脉冲数乘以2即得脉冲频率。
闸门韶光选择0.5s是为了提高LCD1602显示数据刷新速率，如果闸门韶光选1s，则刷新速率偏慢。

测试数据的打算处理部分紧张利用前面给的两个公式打算出丈量结果，并经由数据预处理后，输出到显示电路显示读数。

LCD1602的数据传输采取4线制，8位数据分两次传送，先传高4位，后传低4位，由于通报的数据量不大，以是你觉得不到4线制速率传输和8线制有什么差异。

制作所需元器件的清单见表23.1。

C1、L1要选用精度比较高的元件，有条件的可用万能电桥进行筛选。
L1如买不到成品电感也可低廉甜头，磁芯用810的工字磁芯，用0.42的漆包线绕55.5圈。

安装前先将程序的目标文件写入单片机ATmega8L，熔丝位的设置如图23.3所示。

图23.3 熔丝位的设置

电路板的装置图如图23.4所示。
LCD1602的接口排座焊接在电路板上，排针焊接在LCD1602模块上如图23.5所示。

表23.1 元器件清单

图23.4 电路板装置图

安装完成后，用一根USB线将电源接口连到电脑USB插座上，接通丈量仪的电源，将S1置于电容挡，丈量端不接电容，这时LCD1602第二行显示的是基准频率f1，如图23.6所示。
基准频率如果超出503kHz5kHz的范围，解释L1、C1中有元件偏差较大，需进行相应的调度。
如果L1是自绕的，涌现偏差的可能性相对较大，可适当增减其圈数，直至知足哀求。

接通电源后，以电容挡为例，虽然我们在测试端并没有接任何电容，但LCD1602第一行显示的电容量读数并不为零，如图23.6所示，我们称其为初始值，这是由基准频率略有漂移造成的。
这时如果丈量小容量的电容，偏差就比较大，当初始值后有“-”号时，丈量值是实际值减去了初始值，即读数比实际容量小了。
反之，丈量值是实际值加上了初始值，即读数比实际容量大了。

对付上述问题，我在程序中也作了考虑，只要在不接测试电容的情形下按一下S2就可以归0了，其本色便是基准频率作了改动，并把改动结果存入EEPROM，掉电后不会丢失。
归0后的显示数据如图23.7所示。

电容挡归0后，电感挡就不须要归0了，由于电容挡归0就相称于在电感挡测试端接了一个短路线，等同于电感挡归0(在S1置于电感挡，S2归0时其测试端必须接短路线)，剖析一下电路就明白了。

图23.5 排针的焊接

如果利用中创造丈量偏差较大，可通过程序进行改动，详细做法如下：找一个精度高的1000pF电容进行丈量，假设读数为950pF，则打算1000/950≈1.05，我们将其称为改动系数，将打算公式Cx=[(f1/f2)2-1]C1改为Cx=[(f1/f2)2-1]C11.05，用这个公式打算就能减小丈量偏差了。
为了简化程序中的打算，我采纳把程序中的语句“unsigned int C1=1000”改为“unsigned int C1=1050”的方法，效果是一样的。

再找一个精度高的100H电感进行丈量，假设读数为94，则打算100/94≈1.06，把程序中的语句“unsigned char L1=100”改为“unsigned char L1=106”，同样也能减小丈量偏差。

把重新编译好的目标文件烧写到ATmega8L，再进行丈量，精度就提高了。

用本测试仪丈量电容的实例如图23.8所示(丈量工具分别为240pF云母电容和0.47F安规电容)，丈量电感的实例如图23.9所示(丈量工具分别为10H电感和电子节能灯的电感线圈)。

当丈量值超过量程时，读数显示“OVE”，测电感时电感测试端不接电感(相称于电感量为无穷大)，读数也显示“OVE”。

图23.6 基准频率的丈量结果

图23.7 按S2归0后的显示数据

利用这个电感和电容丈量仪时有一个问题须要把稳，即电感或电容的参数会受测试频率的影响。
例如，具有磁芯的电感，由于受磁芯的频率特性影响，不同的测试频率，其结果可能有所不同，用这个丈量仪测的数据和用旗子暗记源频率为1000Hz的万能电桥测的数据可能会不一致。
笔者认为，用更靠近实际事情频率的测试频率可以得到比较符合实际的测试结果。
由于本测试仪事情频率比较高，不适宜丈量电解电容器。
笔者丈量一个10F的电解电容器，对应测试频率为6.5kHz，读数为6.26F，偏差很大。

图23.8 电容的丈量结果

图23.9 电感的丈量结果