基于51单片机的电容电感测量仪设计

王杰

摘  要：在电子电路实验中，我们经常需要测量一些电容和电感的电量，特别是一些小容量和小感量的器件，如果我们身边没有一些专业的测量仪器的话，那么我们可以自己动手做一个简单的测量仪。文章就教大家如何用单片机来制作一个简单实用的电容电感测量仪，其测试范围宽，结果也较为准确，主要用来测量容量较小的电容和电感，完全可以满足实验测试的要求。

关键词：AT89C51;LM311;电容;电感

中图分类号：TM531 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）24-0032-02

Abstract： In electronic circuit experiments， we often need to measure the power of some capacitors and inductors， especially some small-capacity devices. If we don't have some professional measuring instruments around us， then we can make a simple measuring device. This papershows how to use a single-chip microcomputer to make a simple， practical capacitor and inductance measuring device. Its test range is wide and the result is more accurate. It is mainly used to measure the capacitance and inductance with small capacity， which can fully meet the requirements of experimental testing.

Keywords： AT89C51; LM311; capacitor; inductor

在平常电子电路实验中，我经常会用到一些电容和电感，当我们用它的时候，我们是直接通过其自身的颜色标记或者买来的标签上面来读取它的容量或感量。如果在某个电路中由一个未知值得电容或电感，或者电路中有个寄生的电容存在，那我们又该如何知道它的大小呢。本文就介绍了一个用单片机构成的可以测量小容量电容电感的简易测量仪。

1 测量仪设计原理

该电容电感测量仪的测量原理就是基于测量振荡器频率的方法，测量仪的核心是一个由LM311芯片组成的振荡器，可以测出LC振荡电路中的电容和电感的值。不过由于单片机测量频率的范围有限，同时也为了减小测量误差，当单片机在测量LC振荡回路频率的时候，可以先测量一个标准已知电容的振荡频率，然后再根据此基准电容值计算得出被测的电容量和电感量[1]。

2 硬件电路的设计

电容电感测量仪的硬件电路主要包括LC振荡器、51单片机和LED显示器这三大件。其中LC振荡器是由电容、电感，电阻和LM311比较器芯片组成。在电路组装好之后，要对电路进行检查，看其振荡器是否能正常起振，可以用示波器在LM311的7引脚观察有无振荡波形输出，如果有，则可初步判定振荡器可以正常工作。

3 LC振荡电路设计

当电容电感全为未知的时候，我们可以先用RC振荡器先测量出电容的值，当电容值知道后，再将被测电感和电容組成一个LC振荡电路，再测出电感的值。其原理为把被测电容和电阻串联，构成RC网络，即一个RC振荡器，该振荡器的周期为T=A0×RC，A0为常数，当R为已知的时候，测出振荡器的周期即可算出电容的值。然后把求得的电容值代入LC振荡电路中，根据其振荡频率f=1/2π√LC[5]，测出此时振荡器的频率后即能算出电感的量[2]。

如果已知电容电感其中一个的量，则直接用LC振荡器频率公式即可算出其中的未知量。测量仪振荡电路原理图如图1所示。

4 单片机主电路设计

顾名思义，测振荡器的频率就是测量其在1s内计数振荡器脉冲的个数，因此，在用AT89C51单片机测量频率时，用一个定时器作为1s定时，再用另一个定时器作为计数器，来计数1s内的脉冲个数，所得到的计数值就是振荡器的频率。不过，由于单片机中的定时器最大时间的限制，在使用12MHz晶振时，定时器的最大定时时间只有65.536ms，若取定周期为50ms，则需要20个定时周期才能定时1s完成振荡器频率的测量[3]。如果测量精度要求不高时，也可以只测量两个定时周期即0.1s内的频率计数，然后再把计数值乘10即为振荡器频率。本次做的测量仪是用T1做定时器、T0做16位计数器，T1的定时周期设为0.05s，连续中断溢出两次，即0.1s定时，这时计数器T0中的值乘10就是振荡器的频率了。图2所示的是测量仪的单片机与振荡器电路组成的测量仪主电路[4]。

5 LED显示电路设计

该测量仪采用的是六位数码管来显示被测的电容电感值，并由一个74LS164芯片来驱动。通过单片机串口发送的数据来驱动每一位数码管，它通过静态显示来显示每一位数值，发送每一组数据只需单片机发送一次信号即可，其连接图如图3[5]所示。

6 测量仪软件编程

该程序由C语言进行编写，程序开发环境为keil4，程序除了主函数外，主要包括测频率、计算电容LED显示三大部分。该测量仪编程难度不是很大，只需要一些基础的C51语言编程知识，不过对51单片机各管脚的功能及用法要有所了解。

7 结束语

本文利用AT89C51单片机设计了一个电容电感测量电路，给出了探测和单片机电路原理图，以及数码显示电路图，本系统结构简单，费用低廉，系统稳定性较好，相对简单易用。

参考文献：

[1]马忠梅，等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[2]张靖武，周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]周润景，等.PROTEUS入门实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4]丁明亮，唐前辉.51单片机应用设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[5]陈江华.一种实用的电容、电感、电阻自动测量仪[J].测量与测试技术，2002（1）：21-22.