基于单片机的RCL智能测试仪系统研究

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基于单片机的RCL智能测试仪系统研究

摘要:利用单片机为核心形成的RCL智能测试仪对电阻、电容、电感元件参数进行实时测量时,可以充分利用单片机的智能运算和控制功能,不仅方便实现测量功能,同时还使测量精度得到有效提高。

关键词:单片机RCL智能测试仪振荡电路

随着电力电子技术的不断发展,数字电路应用领域的不断扩大,以及其在电子测量仪器设备应用上的不断成熟,检测仪器产品智能化、数字化程度越来越高,高性能、低价格、多功能的智能检测仪器的研究备受科学研究者和工程应用人员的广泛关注。纵览目前国内现有的RLC测试仪,普遍存在硬件电路复杂、功能单一、体积庞大等缺点,不仅价格昂贵,同时其所需的外围运行环境较苛刻,测试调速过程较繁杂,对于初学者来说很难掌握其工作原理[1]。经大量检测方法技术的改造,RCL测试仪整体功能已逐步趋于稳定,但装置在价格、逻辑操作、以及各种智能检测功能方面还有待于进一步加深。本系统正是在这种社会需求背景下,结合单片机的集成化智能运算功能,利用振荡电路将单片机所检测到的RCL频率信号精确转换成相应的数据信号,并通过人机互通友好界面给予动态显示,从而形成价格便宜、操作简单、智能检测、功能丰富为一体的便携式RCL智能测试仪[2]。

1 单片机RCL频率检测法

传统的RCL仪器在测量方面很难实现设备智能化,在使用过程中

需要进行较长时间的调试和修正,很难满足现代智能检测领域中实时检测动态分析运算显示功能的需求。智能检测实际上就是在原有测试技术方法的基础上,通过引入先进的计算分析仪器仪表,将系统中较难测的物理量通过相关集成系统分析运算后转变成精度较高且较容易检测的数字量。基于单片机的智能RCL就是在上述检测原理的基础上,将电子仪器采集到的电阻、电容、电感(R、C、L)模拟物理量转换成相应的频率f信号量,然后利用单片机高精度的计数运算功能精准快速的求出R、C、L所对应的数据信号值,并通过可视化人机互通界面给予显示。利用单片机进行频率信号计数运算转换一方面可以将模拟量近似地转化为数字量实现动态显示,另一方面由于采用数字化转变显示,可以避免指针读数带来的读数误差。

2 系统总体设计方案

2.1 系统逻辑工作原理框图

综上所述,基于单片机的RCL智能检测系统系统主要包括测量电路(被测功能单元和555振荡电路)、模数信号A/D转换电路、运算控制电路(单片机数据处理单元、智能功能选择按键、可视化数显电路)三部分。单片机是整个检测系统数据采集、分析运算、逻辑控制、数显通信等功能的核心系统,不仅通过内部检测回路完成对R、C、L测试信号的动态记录和转换,同时还可以将控制功能按键转换成相应的

控制命令,驱动内部电路完成对电阻、电容、电感测量回路的智能切换,并通过相应的通信协议与LED显示器进行动态显示,有效提高RCL测试数据的精确性和可靠性。基于单片机系统的RCL智能检测系统的逻辑工作原理电路结构如图1所示。

从图1可知,RC多谐波振荡电路是进行电阻和电感测量的主要信号转换电路,而电容三点式振荡电路是进行电感测量的主要信号转换电路。当仪器进行相关参数测量时,单片机检测运算系统就会通过命令控制选择相应的振荡电路,并通过模拟信号开关转换成对应的频率信号,经单片机接口输入到单片机内部处理单元中,完成对信号的采样工作,然后经内部频率转换电路形成对应的检测数据结果并以数据脉冲形式经通信通道传输给LED数显电路实现检测数据的动态显示。控制功能选择模块主要供用户进行待测参量选择、历史数据查询、显示结果查阅、系统节能休眠等功能的切换选择。利用单片机作为检测系统的控制核心,通过内部分析自动切换检测量纲级,避免了传统RCL 检测电路由于量程选择不当造成仪器烧毁现象发生。

2.2 频率信号振荡电路

从图1中可知,电阻和电容在测量过程中所形成的频率信号均采用“脉冲计数法”,且两种信号测量所需的转换电路结构是一样的,均为RC振荡电路。而对于电感测量时,需要由多个LC频率转换电路形成对应的电容三点式振荡电路。基于555电路构成的多谐振荡RC电路以及基于LC频率转换的电容三点式振荡电路的逻辑连接如图2、3

所示。

结合振荡电路的运行原理,可以运用一个简单的运算矩阵来表示单片机RCL电路频率信号测量分析运算原理如式(1)所示:

式(1)中,为第i个周期内,单片机所获得的电阻、电容和电感值,为第i个周期所需测算的时间。通过式(1)构筑单片机的逻辑运算方法,就可以实现单片机采集RCL电路所检测到的电阻、电容及电感值元件频率实际值,并转换成对应的电阻、电容、电感值在LED数显电路中进行实时显示。

3 软件程序设计

单片机系统采用定时周期循环扫描方式对RCL外围电路进行动态扫描计数,实时对RCL检测电路所产生的信号脉冲进行转换统计,并结合式(1)所形成的运算逻辑,通过内部逻辑运算程序获得电路实时的数据值。

软件由4部分组成:(1)AD模数转换的频率输出程序。(2)RCL模拟信号开关控制测量程序。在RCL检测电路工作时,单片机控制运算系统程序不仅担负着检测电路、测量量程等按键命令的识别与转换,,同时还要负责检测数据误差的修正和显示数据信号的传输显示。(3)结合RCL频率信号测量分析运算原理矩阵形成电阻电容电感数据检测的计算程序,并由单片机内部DSP数据处理单元根据A/D模数转换所获得的频率信号值动态计算出测量元件的电阻、电感或电容值。(4)液晶显示驱动控制。

基于单片机的RCL检测电路系统采用C51语言编程,无论是电阻、电容、或电感值,均可以利用模拟信号开关转换成相应的频率模拟信号后再利用单片机进行模数转换进行实时运算分析[3]。

4 系统检测精度分析

为校验所建立的基于单片机系统的RCL智能检测系统的精准性和灵敏度,在标准环境调节下,选用不同电阻、电感和电容元件利用不同的仪器进行数据精度校核。分别选取该系统所获的2组电阻R、电容C、电感L的标准值与通过Q(QWBJ-3B)表测试所获得的电阻、电容、电感元件的标称值进行对比如表1所示。

从表1可以看出,利用两组不同的电阻、电容、以及电感值利用基于单片机的RCL检测电路进行检测后所获得的数据与Q表测量的标准值非常接近,而且整体误差可以有效控制在1%以内,说明所建立的检测电路具有较高的精确性,完全能够满足实际工程数字检测需求。

5 结语

对单片机用于电子元件RCL测量的原理进行了系统的分析研究后,结合频率振荡电路设计了基于单片机的硬件电路和软件逻辑程序。本系统的研制将模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电子工艺等多方面的知识进行了有机的结合,形成了操作方便、价格便宜、精确度高的RCL智能检测系统。

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