原標(biāo)題：「電路DIY」基于PIC單片機(jī)的高精度LC表設(shè)計方案

基于PIC16F628A+LM311振蕩器+LM7805穩(wěn)壓器的高精度LC表設(shè)計方案

一、方案概述

高精度LC表是一種用于測量電感（L）和電容（C）參數(shù)的儀器，在電子設(shè)計、維修及教學(xué)實驗中具有廣泛應(yīng)用。本方案利用PIC16F628A單片機(jī)、LM311比較器組成振蕩器，并結(jié)合LM7805穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定電源，實現(xiàn)了高精度、低成本的LC測量。

二、系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

1. 系統(tǒng)組成

本LC表設(shè)計包括以下幾個模塊：

• 主控模塊：以PIC16F628A單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)信號處理、頻率計算和結(jié)果顯示；

• 振蕩器模塊：基于LM311比較器構(gòu)成的振蕩器用于生成與電感、電容相關(guān)的頻率信號；

• 穩(wěn)壓模塊：使用LM7805穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5V電源；

• 顯示模塊：通過LCD1602顯示測量結(jié)果；

• 電源模塊：提供9V輸入電壓，供系統(tǒng)正常運(yùn)行；

三、關(guān)鍵元器件分析

1. 主控芯片：PIC16F628A

型號簡介：PIC16F628A是Microchip公司推出的8位單片機(jī)，具有如下特點：

• 存儲資源：2KB Flash程序存儲器、224字節(jié)RAM和128字節(jié)EEPROM；

• I/O引腳：16個I/O引腳，支持模擬和數(shù)字信號輸入輸出；

• 通信接口：集成USART模塊；

• 定時/計數(shù)功能：2個定時器，支持精確的頻率測量；

• 振蕩器模塊：支持內(nèi)置和外部振蕩器，最高頻率為20MHz；

• 工作電壓：2.0V至5.5V；

在設(shè)計中的作用：

• 頻率測量：利用定時器捕獲輸入頻率信號，實現(xiàn)精準(zhǔn)頻率測量；

• 數(shù)據(jù)處理：通過編程計算頻率與電感、電容值的關(guān)系；

• 結(jié)果顯示：通過I/O端口控制LCD顯示測量結(jié)果；

• 用戶交互：根據(jù)按鍵輸入切換測量模式（L或C測量）。

2. 比較器：LM311

型號簡介：LM311是高性能單通道運(yùn)算比較器，主要特點包括：

• 寬電源電壓范圍（+3V至±15V）；

• 快速響應(yīng)時間；

• 兼容TTL和CMOS邏輯電平；

在設(shè)計中的作用：

• 振蕩器核心：LM311用于構(gòu)建LC振蕩器，通過反饋電路生成與被測LC元件相關(guān)的振蕩頻率；

• 信號輸出：輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，便于單片機(jī)計數(shù)。

3. 穩(wěn)壓器：LM7805

型號簡介：LM7805是常見的線性穩(wěn)壓器，特點包括：

• 輸出電壓穩(wěn)定在5V；

• 最大輸出電流1A；

• 內(nèi)置過熱和短路保護(hù)功能；

在設(shè)計中的作用：

• 提供穩(wěn)定的5V直流電源，確保單片機(jī)和其他器件穩(wěn)定工作；

• 減少電源噪聲對測量精度的影響。

四、電路設(shè)計

1. 主控電路

• PIC16F628A的引腳配置如下：

• RA4/T0CKI接振蕩器的輸出信號，用于頻率測量；

• RB0~RB7連接LCD1602顯示屏的數(shù)據(jù)端口；

• RA0和RA1連接用戶按鍵，用于選擇測量模式；

• 外部晶振使用4MHz石英晶體和兩個22pF電容。

2. 振蕩器電路

基于LM311構(gòu)建LC振蕩器：

• LC振蕩回路由被測元件（電感或電容）和已知的參考元件組成；

• LM311的非反相輸入接LC振蕩回路輸出，反相輸入接參考電壓；

• 比較器輸出通過反饋電路實現(xiàn)自激振蕩，頻率由LC回路決定：$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L?C}}$$

3. 穩(wěn)壓電路

電源模塊采用LM7805穩(wěn)壓芯片：

• 輸入端接9V電池或適配器；

• 輸出端提供5V直流電源，連接單片機(jī)、振蕩器和顯示模塊。

4. 顯示電路

LCD1602顯示屏通過并行接口與PIC16F628A連接，顯示實時測量結(jié)果。

五、軟件設(shè)計

1. 主程序框架

#include <pic.h>

// 系統(tǒng)初始化
void init_system() {
    // 初始化定時器、I/O端口、LCD
    // 配置捕獲模塊
}

// 主程序
void main() {
    init_system();
    while (1) {
        if (button_pressed()) {
            measure_lc();  // 測量LC值
        }
    }
}

2. 頻率測量

利用PIC16F628A的定時器捕獲振蕩器輸出信號的頻率：

unsigned long measure_frequency() {
    unsigned int timer_count = 0;
    TMR1 = 0;              // 清空定時器
    TMR1ON = 1;            // 開啟定時器
    __delay_ms(1000);      // 延時1秒
    TMR1ON = 0;            // 停止定時器
    timer_count = TMR1;    // 獲取計數(shù)值
    return (unsigned long)timer_count;  // 返回頻率值
}

3. 電感和電容值計算

根據(jù)公式：

$$L = frac{1}{(2pi f)^2 cdot C_{ ext{ref}}}$$L=(2πf)2?Cref1$$C = frac{1}{(2pi f)^2 cdot L_{ ext{ref}}}$$C=(2πf)2?Lref1

程序中計算LC值：

void calculate_lc() {
    unsigned long freq = measure_frequency();
    if (mode == L_MODE) {
        L_value = 1 / (4 * PI * PI * freq * freq * C_REF);
    } else if (mode == C_MODE) {
        C_value = 1 / (4 * PI * PI * freq * freq * L_REF);
    }
}

4. 顯示結(jié)果

通過LCD1602顯示測量結(jié)果：

void display_result() {
    lcd_clear();    if (mode == L_MODE) {
        lcd_print("L = ");
        lcd_print_float(L_value);
    } else if (mode == C_MODE) {
        lcd_print("C = ");
        lcd_print_float(C_value);
    }
}

六、方案特點與優(yōu)勢

1. 高性價比：使用成本較低的PIC16F628A和LM311實現(xiàn)了高精度測量；

2. 精度高：基于頻率測量方法，受外界干擾小，結(jié)果可靠；

3. 易于擴(kuò)展：可通過更改參考元件擴(kuò)展測量范圍；

4. 低功耗：適合便攜式設(shè)備設(shè)計；

5. 簡單易用：通過按鍵選擇模式，LCD直觀顯示結(jié)果。

七、應(yīng)用場景

該設(shè)計適用于電子元件生產(chǎn)檢測、實驗教學(xué)及電子維修場景。尤其在需要快速、便捷測量LC參數(shù)的場合，具有廣泛應(yīng)用前景。

八、總結(jié)

基于PIC16F628A、LM311振蕩器和LM7805穩(wěn)壓器的LC表設(shè)計實現(xiàn)了高精度、低成本的元件參數(shù)測量。在實際應(yīng)用中，可進(jìn)一步優(yōu)化振蕩器設(shè)計和算法，提高測量范圍和精度，同時可以加入藍(lán)牙模塊等擴(kuò)展功能，實現(xiàn)無線傳輸。