***大学毕业设计（论文）
5.2.1 5.2.2 5.2.3
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按键处理程序模块 .................................................................................... 21 电容电感计算程序模块 ............................................................................ 21 液晶显示程序模块 .................................................................................... 22
5.3 实验主要程序代码 ................................................................................................. 23 结论与展望 ...................................................................................................................... 26 参考文献 .................................................................................................................................... 1 致谢 ............................................................................................................................................ 2
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1 绪论
目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。另外，人们对电子产品智能化的程度要求越来越高，而在目前，单片机在实现电子产品智能化方面扮演着重要的角色[1]。以单片机为核心制作的电子产品具有电路简单、功能强、可靠性高、设计弹性大、便于扩展、易于形成系列化产品等显著优点，所以用单片机来制作的LC测试仪体积小，使用方便，可靠性高，可以满足人们的要求。本设计在众多的单片机中选用了ATMEL公司开发的ATmega16 AVR单片机。AVR单片机继承了C51和PIC单片机的优点，运行速度快，功能强大，是一款面向C语言编程的单片机。使用AVR单片机制作的数显直读式LC测试仪，且具有测量范围电容（1pF—440uF）、电感（1nHy—100mHy），硬件电路简单，能自动换挡，使用方便等优点，因此用AVR单片机来制作的电容表具有一定的应用前景。
1.1 传统的电容电感测量方法
电容电感测量的原理主要是：将由电容、电感引起的其他物理量变化的参数，如电压、电流、频率等通过相应的电路转变成信号，传给处理电路。最后转换成电容电感数值显示出来。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大。以下就来具体讨论电容、电感各自的测量方法。
1.1.1 测量电容
1. 利用电容器放电测电容
电容器充电后，所带电量Q与两极板间电压U和电容C之间满足Q＝CU的关系。U可由直流电压表测出，Q可由电容器放电测量。使电容器通过高电阻放电，放电电流随电容器两极板间的电压下降而减少，通过测出不同时刻的放电电流值，直至I＝0，作出放电电流I随时间变化的曲线，曲线下的面积即等于电容器所带电量。由C＝Q/U可求出电容器的电容值。
2. 利用放电时间比率测电容
其测量原理是把被测电容和基准电容连接到同一电阻上，构成RC网络。通过测量两个电容放电时间的比率，就可以求出被测电容的电容值。测量范围从pF(10-12F)到几十个nF(10-9F)，并且在寄生电容的抑制和温度稳定性方面具有很大的优势。
3. 利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容
其测量原理是把被测电容和电阻串联，构成RC网络，做成振荡器后，调好振荡信
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号的波形然后开始计数脉冲值。其周期为T?A0?RC，A0为一个常数，可通过周期可以计算出C的值。
4. 利用振荡电路测频率再计算电容
为了克服模拟测量法的缺点，可以采用数字化测量。数字化测量电容传感器容量，可使信号在传感器就地转换为数字信号后，进行远距离传输，转换电路简单性能稳定。数字测量可直接用数字形式表示，通过模/数（A/D）转换将模拟形式的信号转换成数字形式[2]。数字测量的精度高，操作方便，后处理方便，但对硬件要求高，分辨力有限。制作数字电容表常用的两种方法是：用分立元件制作电容表和用单片机制作电容表。
电容的数字化测量首先是将电容器的电容量变为频率信号，常用的有LC振荡和RC振荡。以555多谐振荡器为例，若被测电容为C，则其振荡频率为f?1.434?[(R?2R)C]。
对于振荡器，其线路结构简单，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳定。电路原理如图1.1所示。
VCCR17R2Cx843N55526150.01
图1.1 振荡器电路原理图
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1.1.2 测量电感
1. 将一个电阻与被测电感串连，然后在电路两端加上交流电，测量电感上的电压和通过的电流，由欧姆定律计算电感的感抗，然后按照下式推算出电感值。
XL??L?2?fL，XL就是感抗，单位为欧姆，ω是交流发电机运转的角速度，单位为弧度/秒，f是频率，单位为赫兹，L是线圈电感，单位为亨利。由上式可方便地计算出被测电感的值。
2. 使用电感测试仪测试加一个正弦波电压，测通过它的电流的幅值和相位。矢量除以频率，就可以得到电感值。
3. 电感是储能元件，因此可利用它与电容器组成振荡回路[3]，不同于谐振回路，根据振荡频变化，进而推算出电感量的大小。由于振荡频率可以设置的较高，因此可获得较高的分辨度。振荡法测量的基本保证是要求振荡的频率相对稳定。我们采用ABX△E振荡，因为它有较宽的频率范围，且相对稳定。我们采用Colpitts振荡器，因为它有较宽的频率范围且相对稳定。其基本频率为f?12?LC，假定c不变，令??12?C为待
定系数，则γ应为常数，有f?应的电感L值。
?L，??fL。因此，根据振荡频率f值，可得到相
1.2 前景
当今电子测试领域,电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。 作为两个非常普遍和常用的测量参数，其对测量的精度和速度都有越来越高的要求。目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足 测量要求，因此设计可靠、安全、便捷、测量精度高的电容、电感测量仪具有广泛的使用和应用前景。
在目前的生产制造业中，与传统的手动交流电桥相比，数字LC测量仪因其测量性能稳定可靠，无需进行反复的、复杂的手动平衡，还可以减少测量误差和结果计算，故已被越来越多的应用于实时电容电感的测量分析。要保证LC测量仪测量的准确度，对其性能的考核就显得尤为重要。
随着数字化测量技术的发展，电容电感测试仪在测量速度和精度上有很大的改善。在今后的发展中，相信更多更先进的LC测量手段会出现并影响我们的生产、生活和社会生活的方方面面。
1.3 本设计所做的工作
本设计是以LM311为核心的振荡电路，将被测参数模拟转化为频率，并利用Mega16
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