【正文】 上升到電源電壓的三分之二后, 比較器OP1翻轉(zhuǎn), 使得R = 0。由于VTR 的脈沖寬度為T1 , 在VCX升到三分之二電源電壓前已經(jīng)拉高。此時, R = 0, S= 1, 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)1 結(jié)束, 返回到穩(wěn)態(tài)0, 暫態(tài)的持續(xù)時間為TW , 如圖22 的VO 波形所示。在暫態(tài)期間, 如果VTR 的低電平寬度變?yōu)門2 , VCX 到達(dá)翻轉(zhuǎn)點后還沒有變高, 基本RS 觸發(fā)器就會進(jìn)入到R = 0,S = 0的禁止?fàn)顟B(tài), 輸出VO 的波形無法預(yù)測, 測量出錯誤結(jié)果。因此, 要保證T1 TW 。圖22 工作時序圖根據(jù)RC 暫態(tài)電路理論可知, TW 的時間寬度計算公式為：TW = ln3RCX = 1. 1RCX由該公式可知,單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)1 持續(xù)時間與待測電容CX 的容量成正比 。把輸出信號VO 送到單片機的INT0 引腳,控制定時器0 計算出暫態(tài)1 期間的標(biāo)準(zhǔn)時鐘個數(shù), 就可實現(xiàn)脈沖寬度測量, 從而計算出電容容量。 硬件電路設(shè)計 單片機電路設(shè)計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(fù)位電路。具體電路如下： 圖23 單片機工作電路由圖23可知，9腳外接的是按鍵復(fù)位電路，18,19腳外接的是晶振電路，這樣，就構(gòu)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(fù)載能力，P0口需接了上拉電阻（在圖中未畫出）。 555時鐘芯片與單片機連接圖24是555時鐘芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，6腳和7腳接在一起，R2和C4構(gòu)成商店復(fù)位電路，，用于門控制計時器0的啟動與停止。從而將電容容量轉(zhuǎn)為脈沖寬度。圖24 555芯片與單片機的連接 低脈沖產(chǎn)生電路如圖25所示，即外部中斷1接口，因此低脈沖是利用中斷實現(xiàn)的，可在軟件中的外部中斷1函數(shù)中實現(xiàn)，整個過程為，需要測量時，按鍵，產(chǎn)生外部中斷，利用外部中斷，之所以利用中斷實現(xiàn)該功能，是為了增加產(chǎn)品的可靠性，因為按鍵的時間是比較長的，直接用按鍵產(chǎn)生低脈沖可能導(dǎo)致T1 Tw ，導(dǎo)致測量錯誤。而利用中斷，可以直接在中斷函數(shù)中產(chǎn)生一個固定時間的低脈沖，保證了測量條件，避免發(fā)生錯誤。圖25 按鍵產(chǎn)生低脈沖電路 鍵盤電路如圖26所示鍵盤電路主要用于與用戶進(jìn)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(xiàn)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26 鍵盤電路 指示燈電路如圖27所示，指示燈主要用于給用戶以提示，如當(dāng)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27 指示燈電路 量程選擇電路在圖24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(diào)節(jié)充電回路電阻的電路部分，這里，利用繼電器可以簡單實現(xiàn)。具體電路如圖28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(qū)動繼電器吸合，因此要加驅(qū)動電路，在這里，選擇ULN2003芯片來實現(xiàn)。當(dāng)然，也可以利用典型的三極管驅(qū)動來實現(xiàn)，雖然選擇的是芯片實現(xiàn)驅(qū)動，在這里也將典型的三極管驅(qū)動電路列于此。如圖29所示。圖28 實現(xiàn)量程選擇電路圖29 利用三極管的驅(qū)動電路 液晶顯示電路 如圖210所示，lcd接與P1口，用于顯示電容值以及一些相應(yīng)的測量信息。圖210 lcd顯示電路至此，整個電容測量儀的硬件設(shè)計部分就設(shè)計好了，接下來，需要的就是與之相匹配的軟件支持了。 軟件設(shè)計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(qū)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(shù)模塊。方便調(diào)試與理解。具體程序見附錄二。總體程序較長，但并不復(fù)雜，可根據(jù)需要重點看主函數(shù)，與硬件電路結(jié)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(xì)分析。 量程范圍設(shè)置由于量程的選擇是非常重要的一個環(huán)節(jié)，在這里單獨討論量程的選擇。系統(tǒng)采用單片機片內(nèi)16 位的定時器測量TW 的寬度, 標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖的周期為1 微秒時, 為確保計數(shù)器不發(fā)生溢出, 要求TW 65 毫秒。同時, 為減小量化誤差對結(jié)果的影響, 要求TW 1 微秒。當(dāng)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(shè)置不同充電電阻R 的阻值來實現(xiàn)。理論計算的電阻R 阻值、理論量程范圍以及系統(tǒng)選擇的量程范圍如表21 所示。系統(tǒng)分為四個量程, 可測量10pF ~ 500uF 的電容。表21 R值與量程范圍的關(guān)系R值（歐姆）理論量程范圍選擇的范圍10M9pF ~ 5. 9nF10pF ~ 5nF100K900pF ~ 590nF5nF ~ 500nF1K90nF ~ 59uF0. 5uF ~ 50uF100900nF ~ 590uFF 50uF ~ 500uF altium designer 原理圖設(shè)計及PCB制作 原理圖設(shè)計圖211 原理圖設(shè)計 PCB制作圖212 PCB設(shè)計在此并沒有布雙層板，紅色的線僅僅只是為了標(biāo)志出跳線。 設(shè)計結(jié)果圖213 設(shè)計結(jié)果實物圖各個按鍵功能如圖中文字說明。3系統(tǒng)測試由于該作品需實現(xiàn)的功能僅為測電容，在此不列出其他的測試。 測量100nf的電容在此以100nf電容測試為例，演示整個測試過程。測試標(biāo)稱值為104的電容，即測量電容值為100nf的電容。104的電容實物如圖214所示。測試結(jié)果如圖215所示。若量程選擇錯誤，測試結(jié)果如圖216所示。圖214 100nf的電容實物圖215 100nf電容正常測試圖216 量程錯誤情況下的測試 ，測試結(jié)果如圖218所示。圖218 測試結(jié)果將測量的一系列電容的電容值與標(biāo)準(zhǔn)值比較。比較結(jié)果如表31。表31 測量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較標(biāo)準(zhǔn)值測量值誤差300pf320pf%100nf%%100uf%由表31中數(shù)據(jù)可知，平均誤差是6%,低于設(shè)計擴(kuò)展要求的10%，測量范圍是10pf~500uf，滿足設(shè)計要求的100pf~100uf。測量結(jié)果由液晶直觀顯示。綜合以上分析，該設(shè)計滿足整體設(shè)計要求。 誤差分析由于產(chǎn)生的6%左右的誤差，在這里簡要分析一下誤差產(chǎn)生的原因。電容測量的誤差主要由NE555 定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差T 、計數(shù)器的量化誤差??N 和標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖的頻率偏移TC 產(chǎn)生[2] [ 3] 。因此有:系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖來自單片機內(nèi)核時鐘, 由片外的高精度晶振與片內(nèi)電路自激振蕩產(chǎn)生,頻率非常穩(wěn)定, 可以忽略其頻偏對測量結(jié)果的影響。量化誤差??N 是數(shù)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(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖, 量化產(chǎn)生的最大誤差為1 微秒。通過設(shè)置充電電阻R 的阻值, 使TW 達(dá)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(chǎn)生的, 可通過硬件參數(shù)修正和軟件算法補償來減小。4 結(jié)論與心得體會總之，通過一系列仿真和設(shè)計，數(shù)字式電容測量儀還是比較成功的做出來了。一路下來還是比較坎坷，從原理到實物，從調(diào)試到調(diào)試成功，遇到了很多問題，在硬件的原理圖設(shè)計中，遇到了一個當(dāng)時覺得非常困難的問題，就是如何實現(xiàn)量程的選擇，首先想到的就是用開關(guān)實現(xiàn)，由用戶根據(jù)不同的選擇撥動開關(guān)，這樣雖然很容易的選擇了不同的電阻，但是，撥動開關(guān)之后如何讓單片機知道呢？因為只有單片機知道你選擇了何種量程的電阻，才有法作相應(yīng)的處理，于是想到在用一個按鍵來通知單片機，可是，這樣的話，用戶測量一次電容，將會按3次按鍵，這樣無疑增加了操作的繁瑣度。于是想到可以由用戶按鍵通知單片機選擇量程，用單片機控制某種芯片來選擇不同的路徑，從而引入不同的電阻。而這種芯片，也是通過查閱很久的資料才查到的，從CD4052到繼電器也走了不少彎路，最后權(quán)衡各個方面，選擇了易于控制的內(nèi)阻很低的繼電器。至此，解決了量程選擇問題。可是，在后續(xù)的設(shè)計中，沒有意識到繼電器的驅(qū)動問題，就直接將他接于單片機的P0口，板子做出來之后，才發(fā)現(xiàn)無法驅(qū)動繼電器，使繼電器吸合。就這樣，一步一步，最后又選擇以ULN2003作為驅(qū)動。才得以解決這一系列問題。其次，軟件設(shè)計也遇到了很多問題，通過很長的時間才調(diào)試成功。通過這次設(shè)計也收獲了很多，知識層面上，學(xué)得了很多新知識，解決問題的新方法。實踐方面，提高了動手能力，提高了解決實際問題的能力等等。在思想上，更加明白的堅持不懈的重要性，學(xué)習(xí)探索的重要性，實踐動手的重要性。5 參考文獻(xiàn)【1】 《單片機基礎(chǔ)》第三版 李廣弟 朱月秀 冷祖祁 編著 北京航天大學(xué)出版社，2007