基于51单片机的数字电容测量仪设计

框图中的外接电容是定时电路中的一部分。当外接电容的容量不同时，与定时电路所对应的时间也有所不同，即C=f(t)，而时间与脉冲数目成正比，脉冲数目可以通过计数译码获得。

（1）基本要求

① 自制稳压电源。

② 被测电容的容量在10pF至10000μF范围内

③ 设计四个的测量量程。

④ 显示测量结果，测量误差小于2.5%。

数字显示：显示分辨率:每档满量程的0.1%；

电容测量：电压可选择5V,25V,50V；

为实现该设计，达到相应的设计要求，本次设计中考虑了三种设计方案，三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同，对于本设计，三种方案均能够实现，最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了基于STC89C52单片机和555芯片构成的单稳态触发电路测量电容的方案。

现在一一介绍论证如下。

根据积分电路原理可得C=Ui*dt/R*Uo，将经过RC充电电路后，输出的与电容对应的电压值输入到ADC0809中，经过处理后，将相应的数值传到单片机里，再通过公式运算，求得相应的电容C值，在LCD上显示。

图1-2 方案Ⅱ电容测量框图

比较上述三种方案可知，方案Ⅰ和ⅠⅠ采用了A/D转换器，价格比较昂贵；而且根据公式可知，再换算电压与电容值时，时间参数t起着至关重要的作用，对t的计算要精确，不然误差值会很大，所以调试起来有一定难度；方案Ⅲ电路简单，原理清晰，易于实现，易于控制，本设计就是基于方案Ⅲ展开的。

为使单片机正常工作，除电源供电部分外，还需提供晶振电路和复位电路。具体电路如下：

                              图2-3 单片机工作电路

由图2-3可知，9脚外接的是按键复位电路，18,19脚外接的是晶振电路，这样，就构成了单片机正常工作的必备电路。同时，为使P0口正常工作，并增加其带负载能力，P0口需接了上拉电阻（在图中未画出）。

图2-4是555时钟芯片构成的单稳态触发电路，6脚和7脚接在一起，R2和C4构成商店复位电路，2脚用于接收单片机P3.7口产生的低脉冲，3脚接于P3.2脚，用于门控制计时器0的启动与停止。从而将电容容量转为脉冲宽度。

图2-4 555芯片与单片机的连接

如图2-5所示，按键接于P3.3口，即外部中断1接口，因此低脉冲是利用中断实现的，P3.7口产生低脉冲，可在软件中的外部中断1函数中实现，整个过程为，需要测量时，按键，产生外部中断，利用外部中断，用软件再在P3.7口产生一个低脉冲，之所以利用中断实现该功能，是为了增加产品的可靠性，因为按键的时间是比较长的，直接用按键产生低脉冲可能导致T1 > Tw ，导致测量错误。而利用中断，可以直接在中断函数中产生一个固定时间的低脉冲，保证了测量条件，避免发生错误。

图2-5  按键产生低脉冲电路

如图2-6所示键盘电路主要用于与用户进行交互，如用户需要选择量程时，就必须交互。键盘分为独立键盘和矩阵键盘，这里只需要实现量程的选择，共四个量程，故无需矩阵键盘，4个独立按键就完全够用了。

图2-6   键盘电路

如图2-7所示，指示灯主要用于给用户以提示，如当前量程提示，超量程提示等等。 D2用于超量程提示，D6用于电源提示。

图2-7  指示灯电路

在图2-4中可以看到，在RC充电回路中，R值是固定的，不可变的，那么量程也显然是不可变的，因此，需要在此加入可调节充电回路电阻的电路部分，这里，利用继电器可以简单实现。具体电路如图2-8所示，利用继电器时需特别注意，由于单片机输出电流是很小的，不足以驱动继电器吸合，因此要加驱动电路，在这里，选择ULN2003芯片来实现。当然，也可以利用典型的三极管驱动来实现，虽然选择的是芯片实现驱动，在这里也将典型的三极管驱动电路列于此。如图2-9所示。

图2-8  实现量程选择电路

图2-9  利用三极管的驱动电路

   如图2-10所示，lcd接与P1口，用于显示电容值以及一些相应的测量信息。

图2-10  lcd显示电路

至此，整个电容测量仪的硬件设计部分就设计好了，接下来，需要的就是与之相匹配的软件支持了。

软件编程平台选择最常用的keil软件。由于该程序并未涉及到底层的驱动问题，因此选择方便快捷的C语言编程。在编程中，将该程序分为三个模块：延时模块，1602显示模块及主函数模块。方便调试与理解。具体程序见附录二。总体程序较长，但并不复杂，可根据需要重点看主函数，与硬件电路结合起来，注重程序后紧跟的注释，理解起来是比较容易的，在此就不再一一详细分析。

由于量程的选择是非常重要的一个环节，在这里单独讨论量程的选择。

系统采用单片机片内16 位的定时器测量TW 的宽度, 标准计数脉冲的周期为1 微秒时, 为确保计数器不发生溢出, 要求TW < 65 毫秒。同时, 为减小量化误差对结果的影响, 要求TW > 1 微秒。当TW >100 微秒以上时, 可忽略量化误差的影响。为满足10pF ~ 500uF 的测量范围, 可通过设置不同充电电阻R 的阻值来实现。理论计算的电阻R 阻值、理论量程范围以及系统选择的量程范围如表2-1 所示。系统分为四个量程, 可测量10pF ~ 500uF 的电容。

表2-1 R值与量程范围的关系

图2-11 原理图设计

图2-12  PCB设计

在此并没有布双层板，红色的线仅仅只是为了标志出跳线。

图2-13   设计结果实物图

各个按键功能如图中文字说明。

由于该作品需实现的功能仅为测电容，在此不列出其他的测试。

在此以100pf电容测试为例，演示整个测试过程。测试标称值为101的电容，即测量电容值为100pf的电容。104的电容实物如图2-14所示。测试结果如图2-15所示。若量程选择错误，测试结果如图2-16所示。

图2-14 100nf的电容实物

图2-15 2nf电容正常测试

图2-16 量程错误情况下的测试

再以测试4.7uf电容为例，测试结果如图2-18所示。

图2-18 测试4.7uf的电容

将测量的一系列电容的电容值与标准值比较。比较结果如表3-1。

表3-1 测量值与标准值比较

由表3-1中数据可知，平均误差是0.5%,低于设计扩展要求的2.5%，测量范围是10pf~500uf，基本满足设计要求的10pf~10000uf。测量结果由液晶直观显示。综合以上分析，该设计满足整体设计要求。

由于产生的0.5%左右的误差，在这里简要分析一下误差产生的原因。

电容测量的误差主要由NE555 定时器构成的单稳态触发电路的非线性误差T 、计数器的量化误差&#1048577;N 和标准计数脉冲的频率偏移TC 产生[2] [ 3] 。因此有:

系统采用的标准计数脉冲来自单片机内核时钟, 由片外的高精度晶振与片内电路自激振荡产生,频率非常稳定, 可以忽略其频偏对测量结果的影响。量化误差&#1048577;N 是数字电路的特有误差, 最坏的情况下等于 1。如采用12M 的晶振, 可获得1MHz 的标准计数脉冲, 量化产生的最大误差为1 微秒。通过设置充电电阻R 的阻值, 使TW 达到毫秒级时, 量化误差的影响非常小, 可以忽略。非线性误差是由器件的非线性特性产生的, 可通过硬件参数修正和软件算法补偿来减小。

  经过本次历经4周的实习，使得我又进一步对单片机系统，尤其测量电容的电路系统有了深一步认识。在做前期准备工作时，老师不希望我们用555芯片做这个实验，因为如果是555芯片震荡电路来测量的话，虽然制作原理简单，但测量值会很不稳定，测范围也不够广。可出于坚信化繁为简的信念，在没做过实物的情况下，我们还是硬着头皮还是想验证下事实是不是如此（如果不成功再改换方案）。 起初查阅了很多资料，比如伏安法中的自由轴法制作测量电容电路，LC震荡侧电容电路等，老师也推荐了方案二中的积分法测量电路，但因为在进行理论计算时，因为积分测容法中C=Ui*dt/Uo*R,而我们无法精确确定ADC在输出口的传输时间（哪怕是几十us），所以有种无法掌控误差的感觉，再加上出于成本考虑，所以没有首选这种方法。而对于利用555芯片单稳态触发这种法案的分析，我则很相信，这个电路是可以实现测量功能的，并且只要输出稳定，我就可以做相应补偿。 在经过一系列的仿真，实物制造和调整后，最初做出来的板子并不能运行的，后面反复彻查后，才发现原来自己的设计出现了差漏，少连或错连了一些关键线路，于是又重新修整过。经过修正后的电路中终于可以开始进行测量了，起初的测量只有在nf档和10uf以下档位下，测量值是基本满足要求的，而PF裆和100uf以上的档位并不满足已要求的，甚至不够稳定，所以我开始将挡位缩小，将10pf~10000uf的要求，缩减为100Pf~500uf，果然修正后的电路，测量稳定了。再经过软件补偿后，最终获得了在精度上可以满足要求的方案。（Ps:因为最初设计的时候只选择了4个挡位，而手上电容最大才470uf,出于“最稳定测量”的考虑，所以才改的100pf~500uf挡位。即：本方案也可能可以测量500uf以上的电容，只要将其中的100欧姆电阻改小即可。）

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2018-6-27 11:36 上传

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数字电容
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