框圖中的外接電容是定時電路中的一部分。當外接電容的容量不同時，與定時電路所對應的時間也有所不同，即C=f(t)，而時間與脈沖數目成正比，脈沖數目可以通過計數譯碼獲得。

（1）基本要求

① 自制穩壓電源。

② 被測電容的容量在10pF至10000μF范圍內

③ 設計四個的測量量程。

④ 顯示測量結果，測量誤差小于2.5%。

數字顯示：顯示分辨率:每檔滿量程的0.1%；

電容測量：電壓可選擇5V,25V,50V；

為實現該設計，達到相應的設計要求，本次設計中考慮了三種設計方案，三種設計方案中主要區別在于硬件電路和軟件設計的不同，對于本設計，三種方案均能夠實現，最后根據設計要求、可行性和設計成本的考慮選擇了基于STC89C52單片機和555芯片構成的單穩態觸發電路測量電容的方案。

現在一一介紹論證如下。

根據積分電路原理可得C=Ui*dt/R*Uo，將經過RC充電電路后，輸出的與電容對應的電壓值輸入到ADC0809中，經過處理后，將相應的數值傳到單片機里，再通過公式運算，求得相應的電容C值，在LCD上顯示。

圖1-2 方案Ⅱ電容測量框圖

比較上述三種方案可知，方案Ⅰ和ⅠⅠ采用了A/D轉換器，價格比較昂貴；而且根據公式可知，再換算電壓與電容值時，時間參數t起著至關重要的作用，對t的計算要精確，不然誤差值會很大，所以調試起來有一定難度；方案Ⅲ電路簡單，原理清晰，易于實現，易于控制，本設計就是基于方案Ⅲ展開的。

為使單片機正常工作，除電源供電部分外，還需提供晶振電路和復位電路。具體電路如下：

                              圖2-3 單片機工作電路

由圖2-3可知，9腳外接的是按鍵復位電路，18,19腳外接的是晶振電路，這樣，就構成了單片機正常工作的必備電路。同時，為使P0口正常工作，并增加其帶負載能力，P0口需接了上拉電阻（在圖中未畫出）。

圖2-4是555時鐘芯片構成的單穩態觸發電路，6腳和7腳接在一起，R2和C4構成商店復位電路，2腳用于接收單片機P3.7口產生的低脈沖，3腳接于P3.2腳，用于門控制計時器0的啟動與停止。從而將電容容量轉為脈沖寬度。

圖2-4 555芯片與單片機的連接

如圖2-5所示，按鍵接于P3.3口，即外部中斷1接口，因此低脈沖是利用中斷實現的，P3.7口產生低脈沖，可在軟件中的外部中斷1函數中實現，整個過程為，需要測量時，按鍵，產生外部中斷，利用外部中斷，用軟件再在P3.7口產生一個低脈沖，之所以利用中斷實現該功能，是為了增加產品的可靠性，因為按鍵的時間是比較長的，直接用按鍵產生低脈沖可能導致T1 > Tw ，導致測量錯誤。而利用中斷，可以直接在中斷函數中產生一個固定時間的低脈沖，保證了測量條件，避免發生錯誤。

圖2-5  按鍵產生低脈沖電路

如圖2-6所示鍵盤電路主要用于與用戶進行交互，如用戶需要選擇量程時，就必須交互。鍵盤分為獨立鍵盤和矩陣鍵盤，這里只需要實現量程的選擇，共四個量程，故無需矩陣鍵盤，4個獨立按鍵就完全夠用了。

圖2-6   鍵盤電路

如圖2-7所示，指示燈主要用于給用戶以提示，如當前量程提示，超量程提示等等。 D2用于超量程提示，D6用于電源提示。

圖2-7  指示燈電路

在圖2-4中可以看到，在RC充電回路中，R值是固定的，不可變的，那么量程也顯然是不可變的，因此，需要在此加入可調節充電回路電阻的電路部分，這里，利用繼電器可以簡單實現。具體電路如圖2-8所示，利用繼電器時需特別注意，由于單片機輸出電流是很小的，不足以驅動繼電器吸合，因此要加驅動電路，在這里，選擇ULN2003芯片來實現。當然，也可以利用典型的三極管驅動來實現，雖然選擇的是芯片實現驅動，在這里也將典型的三極管驅動電路列于此。如圖2-9所示。

圖2-8  實現量程選擇電路

圖2-9  利用三極管的驅動電路

   如圖2-10所示，lcd接與P1口，用于顯示電容值以及一些相應的測量信息。

圖2-10  lcd顯示電路

至此，整個電容測量儀的硬件設計部分就設計好了，接下來，需要的就是與之相匹配的軟件支持了。

軟件編程平臺選擇最常用的keil軟件。由于該程序并未涉及到底層的驅動問題，因此選擇方便快捷的C語言編程。在編程中，將該程序分為三個模塊：延時模塊，1602顯示模塊及主函數模塊。方便調試與理解。具體程序見附錄二�？傮w程序較長，但并不復雜，可根據需要重點看主函數，與硬件電路結合起來，注重程序后緊跟的注釋，理解起來是比較容易的，在此就不再一一詳細分析。

由于量程的選擇是非常重要的一個環節，在這里單獨討論量程的選擇。

系統采用單片機片內16 位的定時器測量TW 的寬度, 標準計數脈沖的周期為1 微秒時, 為確保計數器不發生溢出, 要求TW < 65 毫秒。同時, 為減小量化誤差對結果的影響, 要求TW > 1 微秒。當TW >100 微秒以上時, 可忽略量化誤差的影響。為滿足10pF ~ 500uF 的測量范圍, 可通過設置不同充電電阻R 的阻值來實現。理論計算的電阻R 阻值、理論量程范圍以及系統選擇的量程范圍如表2-1 所示。系統分為四個量程, 可測量10pF ~ 500uF 的電容。

表2-1 R值與量程范圍的關系

圖2-11 原理圖設計

圖2-12  PCB設計

在此并沒有布雙層板，紅色的線僅僅只是為了標志出跳線。

圖2-13   設計結果實物圖

各個按鍵功能如圖中文字說明。

由于該作品需實現的功能僅為測電容，在此不列出其他的測試。

在此以100pf電容測試為例，演示整個測試過程。測試標稱值為101的電容，即測量電容值為100pf的電容。104的電容實物如圖2-14所示。測試結果如圖2-15所示。若量程選擇錯誤，測試結果如圖2-16所示。

圖2-14 100nf的電容實物

圖2-15 2nf電容正常測試

圖2-16 量程錯誤情況下的測試

再以測試4.7uf電容為例，測試結果如圖2-18所示。

圖2-18 測試4.7uf的電容

將測量的一系列電容的電容值與標準值比較。比較結果如表3-1。

表3-1 測量值與標準值比較

由表3-1中數據可知，平均誤差是0.5%,低于設計擴展要求的2.5%，測量范圍是10pf~500uf，基本滿足設計要求的10pf~10000uf。測量結果由液晶直觀顯示。綜合以上分析，該設計滿足整體設計要求。

由于產生的0.5%左右的誤差，在這里簡要分析一下誤差產生的原因。

電容測量的誤差主要由NE555 定時器構成的單穩態觸發電路的非線性誤差T 、計數器的量化誤差&#1048577;N 和標準計數脈沖的頻率偏移TC 產生[2] [ 3] 。因此有:

系統采用的標準計數脈沖來自單片機內核時鐘, 由片外的高精度晶振與片內電路自激振蕩產生,頻率非常穩定, 可以忽略其頻偏對測量結果的影響。量化誤差&#1048577;N 是數字電路的特有誤差, 最壞的情況下等于 1。如采用12M 的晶振, 可獲得1MHz 的標準計數脈沖, 量化產生的最大誤差為1 微秒。通過設置充電電阻R 的阻值, 使TW 達到毫秒級時, 量化誤差的影響非常小, 可以忽略。非線性誤差是由器件的非線性特性產生的, 可通過硬件參數修正和軟件算法補償來減小。

  經過本次歷經4周的實習，使得我又進一步對單片機系統，尤其測量電容的電路系統有了深一步認識。在做前期準備工作時，老師不希望我們用555芯片做這個實驗，因為如果是555芯片震蕩電路來測量的話，雖然制作原理簡單，但測量值會很不穩定，測范圍也不夠廣�？沙鲇趫孕呕�繁為簡的信念，在沒做過實物的情況下，我們還是硬著頭皮還是想驗證下事實是不是如此（如果不成功再改換方案）。 起初查閱了很多資料，比如伏安法中的自由軸法制作測量電容電路，LC震蕩側電容電路等，老師也推薦了方案二中的積分法測量電路，但因為在進行理論計算時，因為積分測容法中C=Ui*dt/Uo*R,而我們無法精確確定ADC在輸出口的傳輸時間（哪怕是幾十us），所以有種無法掌控誤差的感覺，再加上出于成本考慮，所以沒有首選這種方法。而對于利用555芯片單穩態觸發這種法案的分析，我則很相信，這個電路是可以實現測量功能的，并且只要輸出穩定，我就可以做相應補償。 在經過一系列的仿真，實物制造和調整后，最初做出來的板子并不能運行的，后面反復徹查后，才發現原來自己的設計出現了差漏，少連或錯連了一些關鍵線路，于是又重新修整過。經過修正后的電路中終于可以開始進行測量了，起初的測量只有在nf檔和10uf以下檔位下，測量值是基本滿足要求的，而PF襠和100uf以上的檔位并不滿足已要求的，甚至不夠穩定，所以我開始將擋位縮小，將10pf~10000uf的要求，縮減為100Pf~500uf，果然修正后的電路，測量穩定了。再經過軟件補償后，最終獲得了在精度上可以滿足要求的方案。（Ps:因為最初設計的時候只選擇了4個擋位，而手上電容最大才470uf,出于“最穩定測量”的考慮，所以才改的100pf~500uf擋位。即：本方案也可能可以測量500uf以上的電容，只要將其中的100歐姆電阻改小即可。）

基于51單片機的數字電容測量儀.doc (2.04 MB, 下載次數: 460)

2018-6-27 11:36 上傳

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