【Arduino开源实战】基于LCD1602的简易LCR电桥设计与实现

1. 项目背景与硬件准备

如果你玩过电子DIY，肯定遇到过需要测量电感、电容或电阻值的情况。专业LCR电桥价格昂贵，而万用表又测不了电感。这次我们用Arduino UNO加一块不到10元的LCD1602屏，就能做个三合一测量工具。我实测下来，测量常见元件完全够用，特别适合学生党和小型工作室。

核心硬件清单：

• Arduino UNO开发板（兼容版也行）
• LCD1602显示屏（带I2C模块更省接线）
• 10kΩ和1MΩ精密电阻各1个
• 100nF电容（建议用聚丙烯电容提高稳定性）
• 面包板+杜邦线若干

注意：测量电容时建议使用1%精度的金属膜电阻，电感测量部分对100nF电容的稳定性要求较高

硬件连接其实特别简单，先把LCD1602的I2C模块插好，SDA接A4，SCL接A5。电阻分压电路用10kΩ和1MΩ组成测量网络，电感测量部分需要把100nF电容与待测电感构成LC振荡回路。我第一次做的时候在面包板上花了15分钟就搭好了，比想象中容易得多。

2. 测量原理深度解析

2.1 电感测量：LC振荡法妙用

电感测量是最有意思的部分。我们利用LC电路的谐振特性，通过Arduino产生脉冲激励后，用pulseIn()函数捕获振荡周期。具体公式是：

arduino复制inductancia = 1./(capacitancia*frecuencia*frecuencia*4*3.1415*3.1415)

这里有个坑要注意：代码中用的参考电容值是1.021nF（0.000001021），这个值需要根据你实际用的电容校准。我测试时发现用普通瓷片电容会有5%左右的误差，换成CBB电容后精度提升到2%以内。

2.2 电容测量：RC充放电计时

电容测量采用经典的RC充放电原理。通过1MΩ电阻给待测电容充电，用中断捕获电压达到VCC/2的时间点：

arduino复制RC = -T/log((Vref-VCC)/(V0-VCC));
C = RC/R;

实际使用时发现个小技巧：在放电引脚加个100ms的延迟能显著提高稳定性。有次测量100pF以下的小电容时数据跳变严重，后来在放电回路里串了个10k电阻就好多了。

2.3 电阻测量：分压法优化

电阻测量采用最简单的分压原理，但代码里做了8次采样取平均的处理：

arduino复制for(int i=0; i<=7; i++){
  Resistor_1[i] = analogRead(R_1);
  ResArreglo_1 = ResArreglo_1 + Resistor_1[i];
}
vR_1 = (ResArreglo_1/8.0);

实测发现测量10kΩ以下电阻时精度可达1%，但超过1MΩ后误差会增大到5%。如果经常测大电阻，可以把R2换成10MΩ并修改代码中的Res_2值。

3. 代码实现详解

3.1 核心函数剖析

主循环通过检测A3/A4引脚状态来切换测量模式：

arduino复制void leerpines(){
  pin_1 = digitalRead(PIN_1);
  pin_2 = digitalRead(PIN_2);
}

这个设计很巧妙，用两个IO口实现了三模式切换。我在原型机上加了三个轻触开关，通过不同组合选择模式，比跳线帽更方便。

中断服务函数是电容测量的关键：

arduino复制void stop(){
  t_alto = micros();
}

注意这里用了外部中断3（对应D2引脚），因为D0/D1被LCD占用了。有次我把中断引脚接错导致电容模式完全失灵，排查了半天才发现这个问题。

3.2 I2C液晶屏适配

原版代码用的是并行LCD，我改成了更省线的I2C版本：

arduino复制#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);

这里有个常见坑点：I2C地址可能是0x27或0x3F，用扫描工具确认下更稳妥。另外建议在setup()里加个lcd.backlight()，否则可能遇到不显示背光的情况。

4. 校准与精度优化

4.1 电感测量校准

准备几个已知值的电感（如100uH、1mH），修改代码中的参考电容值：

arduino复制capacitancia = 0.000001021; // 校准这个值

我用信号发生器配合示波器实测发现，普通瓷片电容的温度系数会导致测量值漂移约0.5%/℃，换成NP0材质的电容后改善明显。

4.2 电容测量补偿

代码中内置了40pF的误差补偿：

arduino复制float error_correccion = 40.;

这个值需要根据你的电路分布电容调整。简单方法是用已知电容测量后反推，我建议从10pF开始测试，每次增减5pF观察结果。

4.3 电阻测量量程扩展

要测量更大阻值电阻时，可以：

1. 修改R2电阻值（原为9MΩ）
2. 调整代码中的Res_2参数
3. 在Vin处改用3.3V降低功耗

实测发现超过10MΩ后噪声明显增大，这时可以增加采样次数到16次，虽然速度变慢但稳定性更好。

5. 常见问题排查

问题1：电感模式显示"INSERTAR IND"

• 检查电感是否接触良好
• 确认IND_1和IND_2接线正确
• 测量100nF电容是否失效

问题2：电容测量值偏大

• 检查放电回路是否正常（D9引脚）
• 测量1MΩ电阻实际阻值
• 尝试减小error_correccion值

问题3：LCD显示乱码

• 确认I2C地址是否正确
• 检查电位器调节对比度
• 重新插拔I2C模块

有次我的设备突然所有模式都失灵，最后发现是面包板接触不良。建议重要项目还是焊个PCB，我用嘉立创免费打样做了个带香蕉插座的版本，稳定性提升很多。

6. 进阶改进方案

方案1：增加自动量程
通过继电器切换不同分压电阻，代码需增加量程判断逻辑。我在第二版中加入了CD4051模拟开关，实现了1Ω-10MΩ的全自动测量。

方案2：添加ESR测量
需要增加1kHz方波发生电路，通过测量交流阻抗来计算ESR。这个功能对检测劣质电容特别有用。

方案3：数据记录功能
加上SD卡模块，把测量数据保存为CSV格式。我用这个功能批量测试过100个电容的老化特性，比手动记录高效多了。

最后分享个实用技巧：给Arduino供电最好用线性电源，开关电源的噪声会影响小信号测量。我在实验室对比过，用18650电池供电时测量重复性比USB供电好30%以上。