【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本系統(tǒng)需要一組電源，即 +5V。 220V 交流電源經(jīng)過(guò)電源變壓器、整流濾波器和集成三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生出系統(tǒng)所需的電源。 在本設(shè)計(jì)中采用以 78 系列三端固定輸出集成穩(wěn)壓器為核心的穩(wěn)壓電源，另外 8 加上保護(hù)電路 ，電路如圖 23 所示。 圖 23 系統(tǒng)電源電路 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì) 圖 24 1602顯示器 [7] 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點(diǎn) .。本設(shè)計(jì)中采用常用的 2 行 16 個(gè)字的 1602 液晶模塊來(lái)顯示電容值。 單片機(jī) P1 口與 1602 液晶模塊的數(shù)據(jù)口連接傳輸數(shù)據(jù)， P2 口分別控制 RS、RW 和使能端 E。 RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器 ,低電平時(shí)選擇指令寄存器。 RW 為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操 作。當(dāng)RS 和 RW 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 RW 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS 為高電平 RW 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 V0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，這里使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè) 的電阻來(lái)固定對(duì)比度。 9 放電模塊的設(shè)計(jì) 圖 25 放電電路 如圖 25 為電路的放電模塊，放電模塊的主要功能是將被測(cè)電容 Cx 上可能存在的余電在充電之前放干凈，以免影響充電時(shí)間的測(cè)量，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果。 放點(diǎn)電路工作情況如下：手動(dòng)按下開(kāi)關(guān)， Cx 通過(guò)一個(gè) 10Ω的負(fù)載，將兩端的余電釋放干凈；當(dāng)單片機(jī) 接口輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通， Cx 通過(guò)一個(gè)10Ω的負(fù)載，將兩端的余電釋放干凈。 充電模塊的設(shè)計(jì) 圖 26 充電電路 如圖 26為電路的充電模塊，充電模塊主要通過(guò)不同阻值的電阻對(duì)被測(cè)電容 10 進(jìn)行充電。單片機(jī)輸出一個(gè)高電平使得三極管導(dǎo)通，被測(cè)電容通過(guò)相應(yīng)的電阻充電，被測(cè)電容正極電壓以 )1( RCteVccUc ??? 函數(shù)形式增長(zhǎng)。 三極管 8050 是一種常用的普通三極管，它是一種低電壓，大電流，小信號(hào)的 NPN 型硅三極管，在充電模塊中是作為電子開(kāi)關(guān)使用。在硬件中，三極管壓降Vnpn≈ 比較大不能忽略，因此電容充電電壓為 VccVnpn。 電壓比較模塊的設(shè)計(jì) 圖 27 電壓比較電路 如圖 27 為電壓比較模塊的原理圖，使用了一塊 LM358 運(yùn)放；一個(gè) 10KΩ的滑動(dòng)變阻器把 5V電源電壓進(jìn)行分壓；一個(gè)大小為 的濾波電容。 圖 28 LM358比較器芯片 [8] LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 11 LM358 的電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?(3— 30V)，符合比較電壓范圍。在 本設(shè)計(jì)中， LM358 主要是用來(lái)比較兩個(gè)電壓的大?。寒?dāng)“＋”輸入端電壓高于“－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)“＋”輸入端電壓低于“－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平 [５ ]。 電壓比較器工作情況如下，電路通電后， LM358“ — ”端電壓約為 *（ VccVnpn），壓充電電路對(duì)測(cè)量電容 Cx 進(jìn)行充電，當(dāng) Cx 兩端電壓低 *（ VccVnpn）時(shí)，比較器輸出端輸出低電平，隨著充電的繼續(xù)，當(dāng) Cx 兩端電壓高于 *（ VccVnpn）時(shí)，電壓比較器跳反，此時(shí)輸出一高電平，單片機(jī)外部中斷 ，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。 12 第 3 章 電容測(cè)量?jī)x的軟件的設(shè)計(jì) 測(cè)量電路設(shè)計(jì)原理及方案選取 根據(jù)前期查閱的資料，電容測(cè)量方法眾多，本次設(shè)計(jì)從以下兩種方法中選?。? （ 1）與標(biāo)準(zhǔn)電容比較法測(cè)電容大?。赫乙粋€(gè)高精確度已知容量的電容和一個(gè)自耦輸出電壓可調(diào)的變壓器， Cn為已知電容， Cx 為待測(cè)電容，接好線通電之后測(cè) Cx 與 Cn上各自的分壓，但需注意電源變壓后的輸出電壓不應(yīng)大于 Cx 的耐壓。此時(shí)可根據(jù)公式 Uo/Ux=Co/Cx 推算出 Cx的容量。 此方法原 理直觀易懂，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是由于測(cè)量的是大電解電容是帶有極性的，故不能接在交流電上，而且實(shí)驗(yàn)室中找不到適合各種測(cè)量檔位所需要的精密電容，因此放棄此方案。 [10] （ 2）利用充電時(shí)間測(cè)電容大?。喝鐖D 31 為 RC 一階電路，當(dāng)被測(cè)電容 Cx一端通過(guò)一固定電阻 R 接上 Vcc 時(shí)，電容兩端電壓變化曲線方程為)1( RCteVccUc ??? ，曲線圖如圖 31所示。 此本次設(shè)計(jì)中核心原理就是通過(guò)測(cè)電容充電時(shí)間大小，并進(jìn)行數(shù)據(jù)換算來(lái)求得被測(cè)電容的數(shù)值。 圖 31 電容充電曲線圖 13 測(cè)量電路設(shè)計(jì)思路 利 用一階電路的充電曲線公式 )1( RCteVccUc ??? 推導(dǎo)得)1ln(ccCVURtC????，即當(dāng) R， Vcc， Uc 為固定值時(shí)，被測(cè)電容的大小只與充電時(shí)間 t 有關(guān)。繼續(xù)對(duì)該式進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，當(dāng) Uc= 時(shí)， 1)1ln( ???ccCVU ，得到 RtC? ，此時(shí)電容的大小只與充電時(shí)間 t、充電電阻 R的大小有關(guān)。 [11] 本設(shè)計(jì)就是通過(guò)測(cè)量電解電容在不同值的電阻充電的情況下的充電時(shí)間來(lái)計(jì)算電容的大小。 電路工作時(shí)，首先通過(guò)單片機(jī) 選通放電三極管 Q7，將電容上的余電放掉，放完電之后，選通 Q11~Q15 中的一個(gè)三極管，經(jīng)過(guò)一定的電阻對(duì)電容進(jìn)行充電；同時(shí)，打開(kāi)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，開(kāi)始計(jì)數(shù)。然后，單片機(jī)等待外部中斷 0的發(fā)生。當(dāng)電容充電達(dá)到參考電壓值時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，發(fā)出充電完成信號(hào)到外部中斷 0端口，單片機(jī)響應(yīng)中斷，停止計(jì)數(shù)器。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，將電容值顯示。 14 程序設(shè)計(jì)思路及流程圖 主流程圖 開(kāi) 始初 始 化計(jì) 算 電 容 值計(jì) 時(shí)調(diào) 用 顯 示開(kāi) 始初 始 化計(jì) 算 電 容 值計(jì) 時(shí)調(diào) 用 顯 示開(kāi) 始初 始 化計(jì) 算 電 容 值計(jì) 時(shí)調(diào) 用 顯 示開(kāi) 始初 始 化計(jì) 算 電 容 值計(jì) 時(shí)調(diào) 用 顯 示 圖 31 主流程圖 程序設(shè)計(jì)思路 初始化 IO 口、初始化定時(shí)器 0、初始化外部中斷 0。 口輸出高電平，使得 Q7 的 NPN 三極管導(dǎo)通把電容的余電放干凈，延時(shí) 后關(guān)閉 Q7。 開(kāi)啟定時(shí)器 0開(kāi)始定時(shí)并打開(kāi) Q15 三極管，使得電源 Vcc 通過(guò)充電電阻對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充電。 單片機(jī)等待外部中斷被觸發(fā)，電容充電兩端電壓達(dá)到 Uc時(shí)， LM358 電壓比較器跳反，單片機(jī)外部中斷被觸發(fā)，停止計(jì)數(shù)并記錄時(shí)間。 此時(shí)，單片機(jī)對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行判斷：如果充電時(shí)間在設(shè)定值范圍內(nèi)或充電時(shí)間小于設(shè)定值但是充電電阻已經(jīng)是最大值了，此時(shí)單片機(jī)記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；如果充電時(shí)間小于設(shè)定值并且充電電阻還沒(méi)到達(dá)最大 值，那么對(duì)電容進(jìn)行放 15 電并更換阻值較高的充電電阻對(duì)電容進(jìn)行充電，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器 0 重新開(kāi)始定時(shí)，程序返回到等待外部中斷被觸發(fā)的位置往下運(yùn)行。 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行公式換算并加以線性補(bǔ)償提高精度。 通過(guò)控制 1602 液晶顯示電容值。 定時(shí)器 T0 中斷服務(wù)子程序 定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)中斷信號(hào)產(chǎn)生，停止計(jì)時(shí)，根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。中斷服務(wù)子程序如圖 32。 開(kāi) 始初 始 化啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 T0允 許 T0中 斷中 斷 返 回 圖 32 中斷服務(wù)子程序 液晶顯示子程序 液晶顯示子程序流程圖如圖 33。 開(kāi) 始送 數(shù) 據(jù) 顯 示確 定 顯 示 位 置初 始 化 LCD返 回 圖 33 液晶顯示子程序 16 第 4 章 測(cè)量電路誤差分析及校準(zhǔn)方案 測(cè)量電路誤差分析及初步校準(zhǔn) 誤差來(lái)源 Vnpn 有輕微的不同，而 LM358 電壓比較器的比較電壓*（ VccVnpn）卻是固定值。 。 。 初步校準(zhǔn)方案 1. 測(cè)出五個(gè)充電三極管的壓降，求出平均值，作為 Vnpn。 2. 添加一個(gè)手動(dòng)放電開(kāi)關(guān)，并適當(dāng)延長(zhǎng)自動(dòng)換擋時(shí)候，電容的放電時(shí)間。 3. 進(jìn)行程序校準(zhǔn)，即線性補(bǔ)償。 現(xiàn)在對(duì)程序線性 補(bǔ)償做一解釋，在測(cè)量的過(guò)程中，隨著電容值的增大它 17 基本上是一個(gè)比例函數(shù)，就是這種形式 y=kx，比如說(shuō)測(cè)的是 100uf 的電解電容，但是它顯示的是 300uf，測(cè) 200uf 的時(shí)候得到的是 600uf 的，那么顯示與待測(cè)值之間是 y=3x。所以在算法中要把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)值除 3，這樣得到的顯示值才是真實(shí)值。 圖 41 系統(tǒng)誤差線性關(guān)系圖 因此我測(cè)量了 1uf~2200uf 之間不同大小的電容，畫出線性關(guān)系圖。曲線的為未校準(zhǔn)前測(cè)量值與實(shí)際值的線性關(guān)系圖，直線為理想狀態(tài)的線性關(guān)