【正文】 測量已經(jīng)在測量技術和產(chǎn)品研發(fā)中應用十分廣泛。因此，設計安全、可靠、便捷的電阻測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。電子技術在日常生活中得到了廣泛的應用，各種電路的不斷推出以及電子產(chǎn)品的快速更新，電子技術已成為世界發(fā)展和人們生活中必不可少的工具。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進步，特別是通用電子測量設備研發(fā)方面，與國外先進產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊 [5]。在現(xiàn)代實驗室和電子設備維修中，電容是不可缺少的電子元器件，而因電容導致的電路故障也占多數(shù)，電容的檢測和更換維修常常需要工具，直接測量其電容值是判斷電容好壞的重要參數(shù)，一般測量工具無法測量電容容值，不能夠滿足當代測量工具自動化和智能化的要求。中國電子測量技術經(jīng)過 40 多年的發(fā)展歷程，為中國的經(jīng)濟發(fā)展、科學文化、 特別是國防軍事的發(fā)展做出了的巨大貢獻。隨著世界高科技發(fā)展的潮流，中國電子測量儀器也步入了高速發(fā)展的道路，特別是經(jīng)過“九五” 期間的發(fā)展，我國電子測量技術在若干重大科技領域取得了突破性進展，為我國電子測量儀器走向世界水平奠定了良好的基礎。進入 21 世紀以來,科學技術的發(fā)展已難以用日新月異來描述。新工藝、新材料、新的制造技術催生了新的一代電子元器件,同時也促使電子測量技術和電公務員之家子測量儀器產(chǎn)生了新概念和新發(fā)展趨勢 [5]。對于電容測量，一直是一個難題，一般萬用表不具備電容測量，或者測量精度較差，要精確測量有些難度，一般采用電容振蕩的方式測量，在技術上問題不大?，F(xiàn)在主要是在測量的自動化、減小設備體積上做文章。當然，這些測量也可以用單片機來實現(xiàn)，并獲得許多輔助功能如自動量程切換、自動記錄和分析測試結(jié)果、于上位電腦接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、自動平衡。 用單片機精確測量電容可以實現(xiàn)自動量程切換，避免操作失誤時卡住指針，損壞儀表，同時在測量時的精度也大有提高，同時可以實現(xiàn)自動記錄跟分析結(jié)果，操作十分方便，而且由單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性，系統(tǒng)配置、擴展靈活。 本論文的理論和實踐意義 因為傳統(tǒng)的測電容因系統(tǒng)誤差較大，故本文采用多諧振蕩方式測量，將電容轉(zhuǎn)換為頻率后，進行計算，且測量方便本設計中，考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使用靈活方便、可靠性高等特2點。采用Atmega16單片機作為主控制器，對待測電容進行測試，再通過程序?qū)λ鶞y數(shù)據(jù)進行分析計算，最后將所得數(shù)據(jù)經(jīng)過液晶屏顯示出來。不僅測量精度高、便于使儀表實現(xiàn)自動化。2 方案設計 方案選擇方 案 一 ： 利 用 電 容 器 放 電 測 電 容本方案時利用電容器充電后，所帶電量 Q 與兩極板間電壓 U 和電容 C 之間滿足Q＝CU 的關系。U 可由直流電壓表測出，Q 可由電容器放電測量。使電容器通過高電阻放電，放電電流隨電容器兩極板間的電壓下降而減少，通過測出不同時刻的放電電流值，直至 I＝0，作出放電電流 I 隨時間變化的曲線，曲線下的面積即等于電容器所帶電量。由 C＝Q／U 可求出電容器的電容值。方案二：利用放電時間比率來測電容本方案時利用其測量原理是把被測電容和基準電容連接到同一電阻上，構成 RC網(wǎng)絡。通過測量兩個電容放電時間的比率，就可以求出被測電容的電容值。測量范圍從 pF(1012F)到幾十個 nF(109F)，并且在寄生電容的抑制和溫度穩(wěn)定性方面具有極很大的優(yōu)勢。方案三：利用單片機測脈沖來測時間常數(shù) RC 再計算電容本方案時利用其測量原理是把被測電容和電阻串聯(lián)，構成 RC 網(wǎng)絡，然后可利用這個時間常數(shù)去弄個振蕩器，調(diào)好振蕩信號的波形然后開始計數(shù)脈沖值，可能的周期為 T=A0RC，A0為一個常數(shù)，可通過周期可以計算出 C 的值。這個可以用單片機來測，理論上可以從測的值可以為 N 多個，大大超過前面所講述的。方案一，利用電荷電量來測電容，當電壓固定時，電容容值較小時，電荷電量較低，電流也較小，但是電容較大時，電荷電量較高，電流也較大，容易燒毀芯片和器件。方案二，當測量范圍從 pF(1012F)到幾十個 nF(109F)，寄生電容的抑制和溫度穩(wěn)定性方面具有極很大的優(yōu)勢。超出此范圍時，誤差較大，且此測量方法范圍太小。方案三，此方案時將電容值通過 RC 振蕩，將電容值轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的頻率值，便于單片機檢測，且測量精度較高，便于實現(xiàn)自動化測量。綜上考慮，本次設計選擇方案三。 方案設計 本設計采用 555 定時器構成的多諧振蕩器，將電容值轉(zhuǎn)換為頻率值送定時器/計數(shù)3器 T1 的輸入捕捉口 PD6，將頻率值通過輸入捕捉中斷和溢出中斷計算出頻率值，再經(jīng)轉(zhuǎn)換為相應的電容值，通過單片機控制 LCD1602 顯示電路將電容值顯示出來。電容信號調(diào)理電路A t m e g a 1 6單片機L C D 顯示器圖 1 系統(tǒng)整體組成 芯片選型 單片機選型本設計選用 ATmega16 單片機，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機 Mega 系列的全部性能和特點。但由于采用了小引腳封裝（為 DIP 40 和 TQFP/MLF32），所以其價格僅與低檔單片機相當，再加上 AVR 單片機的系統(tǒng)內(nèi)可編程特性，使得無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進行單片機嵌入式系統(tǒng)的設計和開發(fā) [6]。Atmega16 是一款采用低功耗 CMOS 工藝生產(chǎn)的基于 AVR RISC 結(jié)構的 8 位單片機。AVR 單片機的核心是將 32 個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與 ALU（算術邏輯單元）直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時訪問（讀寫）兩個獨立寄存器的操作。這種結(jié)構提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，ATmega16 可以達到接近 1MIPS/MHz 的性能，運行速度比普通 CISC 單片機高出 10 倍。同時自帶 10 位 6 路 ADC，方便軟件設計，而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善 [6]。具有如下特點:16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash（具有同時讀寫的能力，即 RWW）。512 字節(jié) EEPROM，1K 字節(jié) SRAM，32 個通用 I/O 口線，32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C), 片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，10 位 6 路(8 路為 TQFP 與 MLF 封裝)ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，及五種可以通過軟件進行選擇的省電模式 [6]。其引腳圖如圖 2 所示。工作于空閑模式時 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC 噪聲抑制模式時終止 CPU 和除了異步定時器與 ADC 以外所有4I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關噪聲；Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力 [6]。本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲器技術生產(chǎn)的。片內(nèi) ISPFlash 允許程序存儲器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于 AVR 內(nèi)核之中的引導程序進行編程。在更新應用 Flash 存儲區(qū)時引導 Flash 區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了 RWW 操作。通過將 8 位 RISCCPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案 [7]。Atmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評估板 [7]。PB0(XCK/T0)1 PB1(T1 )2PB23 PB34PB45 PB56PB67 PB78RESET9 VCC10GND11 XTAL212XTAL113 PD014PD115 PD216PD317 PD418PD519 PD620 PD7 21PC0 22PC123PC2 24PC3 25PC426PC5 27PC6 28PC729AVCC 30GND 31AREF32PA7 33PA6 34PA535PA4 36PA3 37PA238PA1 39PA0 40圖 2 Atmega16 引腳圖 引腳說明：表 1 單片機引腳VCC 數(shù)字電路電源。GND 地。端口B(PB7..PB0) 端口B為8位雙向I/O 口。端口C(PC5..PC0) 端口C為7位雙向I/O 口。PC6/RESET若RSTDISBL熔絲位編程，PC6作為I/O 引腳使用。若RSTDISBL熔絲位未編程， PC6 作為復位輸入引腳。端口D(PD7..PD0) 端口D為8位雙向I/O口。RESET復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起復位。5AVCC AVCC是A/D轉(zhuǎn)換器、端口 C(3..0)及ADC (7..6)的電源。AREF A/D 的模擬基準輸入引腳。ADC7..6(TQFP與MLF 封裝)TQFP與MLF封裝的 ADC7..6作為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。為模擬電源 且作為10位ADC通道。 顯示器選型. LCD 簡介LCD（Liquid Crystal Display）液晶顯示器。LCD 的構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設置 TFT（薄膜晶體管） ，上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過 TFT 上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的?，F(xiàn)在 LCD 已經(jīng)替代 CRT 成為主流，價格也已經(jīng)下降了很多，并已充分的普及 [8]。 LCD 的類型按照背光源的不同，LCD 可以分為 CCFL 和 LED 兩種。CCFL 指用 CCFL（冷陰極熒光燈管）作為背光光源的液晶顯示器（LCD）。CCFL 的優(yōu)勢是色彩表現(xiàn)好，不足在于功耗較高 [9]。LED 指用 LED（發(fā)光二極管）作為背光光源的液晶顯示器（LCD），通常意義上指 WLED（白光 LED）。LED 的優(yōu)勢是體積小、功耗低，因此用 LED 作為背光源，可以在兼顧輕薄的同時達到較高的亮度。其不足主要是色彩表現(xiàn)比 CCFL 差，所以專業(yè)繪圖 LCD 大都仍采用傳統(tǒng)的 CCFL 作為背光光源 [10]。 工作原理 LCD 由兩塊玻璃板構成，厚約 1mm，其間由包含有液晶材料的 5μm 均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源 [11]。背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細小的單元格結(jié)構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動電路部分 [11]。當 LCD 中的電極產(chǎn)生電場時，液晶分子就會產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來 [11]。綜合考慮，本次設計選用 2 行 16 位顯示器 LCD1602 作為顯示屏。6 液晶 LCD16021602 字符型 LCD 通常有 14 條引腳線或 16 條引腳線的 LCD，多出來的 2 條線是背光電源線。LCD1602 的引腳圖如下圖圖 3 所示，引腳定義和主要參數(shù)分別在表 2，表 3 中，其基本時序操作在下文中有說明。VSS1VCC2VEE3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714A15K16圖 3 LCD1602 引腳圖LCD1602 的引腳定義如表 1：表 2 LCD1602 引腳定義表編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地 9 D2 Data I/O2 VDD 電源正極 10 D3 Data I/O3 VL 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O4 RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L ）12 D5 Data I/O5 R/W 讀/ 寫選擇端（H/L） 13 D6 Data I/O6 E 使能信號 14 D7 Data I/O7 D0 Da