电子技术设计与应用
Electronics Design & Application
电阻电容电感测试仪的设计与制作
王秀霞
（菏泽学院物理系，山东，菏泽 274015）
摘 要：该电阻电容电感测试仪以AT89S52单片机为控制核心，通过测量频率来间接测量电阻器的阻值、电容器的容量和电感器的电感量，并对测试数据和测试结果进行保存记录，可调出最近十次的测量结果并显示测试的时间、元件类型、参数；所有测量的量程均能自动转换量程，并显示相应的提示语句。
关键词：单片机；电感；电阻；电容；
Design and Production of the Instrumentation, which could Test the Resistance、
the Capacitance and the Inductance
Wang XiuXia
(Department of Physics, Heze University , Heze Shandong 274015,China)
Abstract: The core of the tester for the resistance, the capacitance, the inductance was AT89S52. The resistance, the capacitance or the inductance was tested indirectly by testing the frequency. The dates and the results were stored in the core. The last ten testing results could be recalled, at the same time, the testing time, the type and the parameters of the component were displayed. All of the testing range were changed automatically, and the corresponding languages were displayed simultaneously.
Key words:
AT89S52; resistance; capacitance ; inductance1 前言
测量电子元器件集中参数R、C、L的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点。传统的测量仪表和方法虽然操作简单，但是存在计算精度不高、无记忆功能、不易实现自动测量而且很难实现智能化的问题。如果把较难测量的物理量转化为精度较高且较容易测量的物理量，再加上单片机的记忆功能及对频率信号处理的方便性，可以先把电子元件的集中参数R、C、L转换为频率信号f，然后再利用单片机对被测量进行运算求出R、C、L，最后用LCD显示出来的电阻、电容、电感测试仪。基于上述思想设计了此款操作简单、具有记忆功能的智能化电阻电容电感测试仪。
2 系统整体设计
以AT89C51单片机为核心，主要由RC振荡电路、多谐振荡回路、通道选择、功能按键和显示器(LCD)组成。系统电路方框图如图1 所示：
图1 系统电路方框图(参见右栏)
相关的振荡电路将待测参数转换为频率信号，经通道选择与单片机接口，由单片机对其进行采样、运算后，将测试结果输出到LCD显示。功能按键可实现待测参数选择功能，量程转换由单片机程序自动实现，使用方便。
3 系统硬件设计
51
图1 系统电路方框图
3.1 单片机最小系统电路
系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机为主控芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。由其组成的单片机最小系统电路如图2所示。
图2 单片机最小系统电路(参见下页)
3.2 1602液晶显示电路
为了实现数字化，系统采用市场上常见的1602液晶，它能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶显示模块可以和单片机AT89S52直接接口，其接口电路如图3所示。
图3 液晶显示电路(参见下页)
电子技术设计与应用
Electronics Design & Application
图2 单片机最小系统电路
图7 电阻测量电路图
图3 液晶显示电路
已知|△f /f |能满足1%以下的精度，而精密的金属膜电阻，其阻值的变化率|△R1/R1|亦满足1%左右的精度。这样电容的测量精度也可以做的比较高。注意：由于建立RC稳定振荡的时间较长，在测量电容和电阻时，应在显示稳定后再读取参数值。
3.4 电感测量模块
在测量电感电容值时，传统的测量大都采用交流电桥法和谐振法。然而这些方法通常采用刻度读数，读数不够直观。着眼于对传统测量方式的改进，基于LC振荡电路原理，结合以AT89S52单片机为核心的频率测量电路，测量电感。
利用普通的CMOS反相器构成一个皮尔兹CMOS缓冲振荡器，通过测量频率来间接测量电感 ，并且测量值与电感的内阻基本无关。本电路设计简单，无需调试即可正常工作。其原理图如图4所示。
3.3 电阻、电容测量模块3.3.1 电阻测量模块
利用555定时器和待测电阻器或者待测电容器构成多谐振荡电路，再利用单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，根据振荡周期的公式测得待测电阻 。利用单片机的P3.2引脚接到555定时器上，将555多谐振荡电路的频率信号f送到到单片机，然后单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，再求电阻的值。
电容器的充电时间t1和放电时间t2分别为：充电时间t1=0.7RC；放电时间t2=0.7RC。所以多谐振荡器的周期T为：T= t1+ t2=1.4RC， 。由于单片机的定时器的最大时间为65536us，因此我们选择电容C为0.1μF。
图7 电阻测量电路图 (参见右栏)3.3.2 电容测量模块
测量电容采用的RC振荡电路与测电阻的振荡电路完全一样。
误差分析：有 |△Cx/ Cx |= |△f /f |+|△C/C|
。
52
图4 电感测量电路
误差分析：因为 所以|△L/ L |= |2△f/f|+|△C/C|
由此可见，因为|2△f/f|相当小，|△L/ L |的精度主要取决于电容值的稳定性，从理论上讲，只要|△C/C|小于1%，|△L/ L |也就能达到相应的水平。一般而言，电容的稳定性，特别是像独石电容一类性能比较好的电容，|△C/C|都可以满足小于5%的要求，这样误差精度就能保持在-5%～+5%
以内。
电子技术设计与应用
Electronics Design & Application
4 系统软件设计
AT89S52有两个定时器/计数器T0和T1。初始化程序将T0设置为计数器，T1设置为定时器。T0是工作在计数状态下，对输入的信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC/24，由于fOSC＝12MHz，因此，T0的最大计数频率为500KHz。T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒 的定时功能。频率计开始工作或者完成一次频率或周期的测量，程序都进行测量初始化。测量初始化模块是用来设置1602液晶显示、工作寄存器、中断控制和定时／计数器的工作方式的。
系统软件设计采用模块化设计方法。整个程序由初始化模块、测量电感模块、测量电容模块、测量电阻模块、测量实时时钟模块、测量电感品质因数模块、测量频率模块、记录并保存数据模块等各种功能模块组成。上电后，进入系统初始化模块，系统软件开始运行。在执行过程中，根据选择分别调用各个功能模块完成对应的物理量测量。
表1 电阻测量（单位：欧姆）
表2 电容测量
表3 电感测量
6 结论
由于电路的增益很高，非常容易起振，即使在不接入电感的情况下，电路也会由于分布参数而起振。我们用了2个15cm长的线，接两个鳄鱼夹，直接短路的时候，电路的输出频率稳定在502kH，折算出分布电感为2μH左右。这表明该测试仪最低只能勉强测出5uH。但是，如果电感值稍大，测量值还是比较准确的。
考虑到存储空间的限制，在ROM中只存储3k个数据，实际分辨率为3.4%，测量小阻值的电阻器或者小容量的电容器误差比较大，所以本系统适合测量阻值较大的电阻器和容量较大的电容器。
该测试仪操作步骤简便，智能性强，误差较小并且性能稳定，数据显示一目了然，已在实验室使用。参考文献：
[1] 张永瑞,刘振起,杨林耀,顾玉昆.电子测量技术 基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994： 82-88.
[2] 孙肖子,张企民.模拟电子技术基础[M].西安： 西安电子科技大学出版社，2001：22-72. [3] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M]. 北京：高等教育出版社，1999.245-362.[4] 谭浩强,张基温.C语言程序设计教程[M]. 北京：高等教育出版社，2006：306-307.
[5] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：322-344.[6] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M]. 北京：电子工业出版社，2002：283-288.[7] 赫建国,刘立新,党剑华.基于单片机的频率计 设计[J].西安邮电学院学报，2003-06-12.[8] 刘南平. 现代电子设计与制作技术[M].
北京：电子工业出版社，2004：230-232.
图10 程序流程图
5 实测结果
为了衡量这次设计的电阻电容电感测试仪的工作情况和测量精度，我们对系统进行了试验,利用自制的测试仪对电阻、电容和电感的测量结果分别如表1、表2和表3。
表1 电阻测量（单位：欧姆）(参见右栏)表2电容测量(参见右栏)
表3电感测量(参见右栏)
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电阻电容电感测试仪的设计与制作
王秀霞
（菏泽学院物理系，山东，菏泽 274015）
摘 要：该电阻电容电感测试仪以AT89S52单片机为控制核心，通过测量频率来间接测量电阻器的阻值、电容器的容量和电感器的电感量，并对测试数据和测试结果进行保存记录，可调出最近十次的测量结果并显示测试的时间、元件类型、参数；所有测量的量程均能自动转换量程，并显示相应的提示语句。
关键词：单片机；电感；电阻；电容；
Design and Production of the Instrumentation, which could Test the Resistance、
the Capacitance and the Inductance
Wang XiuXia
(Department of Physics, Heze University , Heze Shandong 274015,China)
Abstract: The core of the tester for the resistance, the capacitance, the inductance was AT89S52. The resistance, the capacitance or the inductance was tested indirectly by testing the frequency. The dates and the results were stored in the core. The last ten testing results could be recalled, at the same time, the testing time, the type and the parameters of the component were displayed. All of the testing range were changed automatically, and the corresponding languages were displayed simultaneously.
Key words:
AT89S52; resistance; capacitance ; inductance1 前言
测量电子元器件集中参数R、C、L的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点。传统的测量仪表和方法虽然操作简单，但是存在计算精度不高、无记忆功能、不易实现自动测量而且很难实现智能化的问题。如果把较难测量的物理量转化为精度较高且较容易测量的物理量，再加上单片机的记忆功能及对频率信号处理的方便性，可以先把电子元件的集中参数R、C、L转换为频率信号f，然后再利用单片机对被测量进行运算求出R、C、L，最后用LCD显示出来的电阻、电容、电感测试仪。基于上述思想设计了此款操作简单、具有记忆功能的智能化电阻电容电感测试仪。
2 系统整体设计
以AT89C51单片机为核心，主要由RC振荡电路、多谐振荡回路、通道选择、功能按键和显示器(LCD)组成。系统电路方框图如图1 所示：
图1 系统电路方框图(参见右栏)
相关的振荡电路将待测参数转换为频率信号，经通道选择与单片机接口，由单片机对其进行采样、运算后，将测试结果输出到LCD显示。功能按键可实现待测参数选择功能，量程转换由单片机程序自动实现，使用方便。
3 系统硬件设计
51
图1 系统电路方框图
3.1 单片机最小系统电路
系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机为主控芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。由其组成的单片机最小系统电路如图2所示。
图2 单片机最小系统电路(参见下页)
3.2 1602液晶显示电路
为了实现数字化，系统采用市场上常见的1602液晶，它能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶显示模块可以和单片机AT89S52直接接口，其接口电路如图3所示。
图3 液晶显示电路(参见下页)
电子技术设计与应用
Electronics Design & Application
图2 单片机最小系统电路
图7 电阻测量电路图
图3 液晶显示电路
已知|△f /f |能满足1%以下的精度，而精密的金属膜电阻，其阻值的变化率|△R1/R1|亦满足1%左右的精度。这样电容的测量精度也可以做的比较高。注意：由于建立RC稳定振荡的时间较长，在测量电容和电阻时，应在显示稳定后再读取参数值。
3.4 电感测量模块
在测量电感电容值时，传统的测量大都采用交流电桥法和谐振法。然而这些方法通常采用刻度读数，读数不够直观。着眼于对传统测量方式的改进，基于LC振荡电路原理，结合以AT89S52单片机为核心的频率测量电路，测量电感。
利用普通的CMOS反相器构成一个皮尔兹CMOS缓冲振荡器，通过测量频率来间接测量电感 ，并且测量值与电感的内阻基本无关。本电路设计简单，无需调试即可正常工作。其原理图如图4所示。
3.3 电阻、电容测量模块3.3.1 电阻测量模块
利用555定时器和待测电阻器或者待测电容器构成多谐振荡电路，再利用单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，根据振荡周期的公式测得待测电阻 。利用单片机的P3.2引脚接到555定时器上，将555多谐振荡电路的频率信号f送到到单片机，然后单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，再求电阻的值。
电容器的充电时间t1和放电时间t2分别为：充电时间t1=0.7RC；放电时间t2=0.7RC。所以多谐振荡器的周期T为：T= t1+ t2=1.4RC， 。由于单片机的定时器的最大时间为65536us，因此我们选择电容C为0.1μF。
图7 电阻测量电路图 (参见右栏)3.3.2 电容测量模块
测量电容采用的RC振荡电路与测电阻的振荡电路完全一样。
误差分析：有 |△Cx/ Cx |= |△f /f |+|△C/C|
。
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图4 电感测量电路
误差分析：因为 所以|△L/ L |= |2△f/f|+|△C/C|
由此可见，因为|2△f/f|相当小，|△L/ L |的精度主要取决于电容值的稳定性，从理论上讲，只要|△C/C|小于1%，|△L/ L |也就能达到相应的水平。一般而言，电容的稳定性，特别是像独石电容一类性能比较好的电容，|△C/C|都可以满足小于5%的要求，这样误差精度就能保持在-5%～+5%
以内。
电子技术设计与应用
Electronics Design & Application
4 系统软件设计
AT89S52有两个定时器/计数器T0和T1。初始化程序将T0设置为计数器，T1设置为定时器。T0是工作在计数状态下，对输入的信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC/24，由于fOSC＝12MHz，因此，T0的最大计数频率为500KHz。T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒 的定时功能。频率计开始工作或者完成一次频率或周期的测量，程序都进行测量初始化。测量初始化模块是用来设置1602液晶显示、工作寄存器、中断控制和定时／计数器的工作方式的。
系统软件设计采用模块化设计方法。整个程序由初始化模块、测量电感模块、测量电容模块、测量电阻模块、测量实时时钟模块、测量电感品质因数模块、测量频率模块、记录并保存数据模块等各种功能模块组成。上电后，进入系统初始化模块，系统软件开始运行。在执行过程中，根据选择分别调用各个功能模块完成对应的物理量测量。
表1 电阻测量（单位：欧姆）
表2 电容测量
表3 电感测量
6 结论
由于电路的增益很高，非常容易起振，即使在不接入电感的情况下，电路也会由于分布参数而起振。我们用了2个15cm长的线，接两个鳄鱼夹，直接短路的时候，电路的输出频率稳定在502kH，折算出分布电感为2μH左右。这表明该测试仪最低只能勉强测出5uH。但是，如果电感值稍大，测量值还是比较准确的。
考虑到存储空间的限制，在ROM中只存储3k个数据，实际分辨率为3.4%，测量小阻值的电阻器或者小容量的电容器误差比较大，所以本系统适合测量阻值较大的电阻器和容量较大的电容器。
该测试仪操作步骤简便，智能性强，误差较小并且性能稳定，数据显示一目了然，已在实验室使用。参考文献：
[1] 张永瑞,刘振起,杨林耀,顾玉昆.电子测量技术 基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994： 82-88.
[2] 孙肖子,张企民.模拟电子技术基础[M].西安： 西安电子科技大学出版社，2001：22-72. [3] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M]. 北京：高等教育出版社，1999.245-362.[4] 谭浩强,张基温.C语言程序设计教程[M]. 北京：高等教育出版社，2006：306-307.
[5] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：322-344.[6] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M]. 北京：电子工业出版社，2002：283-288.[7] 赫建国,刘立新,党剑华.基于单片机的频率计 设计[J].西安邮电学院学报，2003-06-12.[8] 刘南平. 现代电子设计与制作技术[M].
北京：电子工业出版社，2004：230-232.
图10 程序流程图
5 实测结果
为了衡量这次设计的电阻电容电感测试仪的工作情况和测量精度，我们对系统进行了试验,利用自制的测试仪对电阻、电容和电感的测量结果分别如表1、表2和表3。
表1 电阻测量（单位：欧姆）(参见右栏)表2电容测量(参见右栏)
表3电感测量(参见右栏)
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