【文章內(nèi)容簡介】 的大信號到來時，電路有足夠的能量轉(zhuǎn)換為強(qiáng)勁有力的音頻輸出。這時，大電容的作用有點(diǎn)像水庫，使得原來洶涌的水流平滑地輸 出，并可以保證下游大量用水時的供應(yīng)。 電子電路中，只有在電容器充電過程中，才有電流流過，充電過程結(jié)束后，電容器是不能通過直流電的，在電路中起著 “ 隔直流 ” 的作用。電路中，電容器常被用作耦合、旁路、濾波等，都是利用它 “ 通交流，隔直流 ” 的特性。那么交流電為什么能夠通過電容器呢？我們先來看看交流電的特點(diǎn)。交流電不僅方向往復(fù)交變，它的大小也在按規(guī)律變化。電容器接在交流電源上，電容器連續(xù)地充電、放電，電路中就會流過與交流電變化規(guī)律一致的充電電流和放電電流。 電容器的選用涉及到很多問題。首先是耐壓的問題。加在 一個電容器的兩端的電壓超過了它的額定電壓，電容器就會被擊穿損壞。一般電解電容的耐壓分檔為 ，10V， 16V， 25V， 50V等。 2 設(shè)計(jì)思想 選擇總體方案 方案Ⅰ：用下圖的框圖代替 A/D 轉(zhuǎn)換器，可得到第二種方案。圖中壓控振蕩器輸出矩形波，它的頻率 fx與 Ux 成正比，而 Ux與被測電容 Cx成正比，因而 fx與 Cx成正比。在計(jì)數(shù)控制時間 Tc等參數(shù)合適的條件下，數(shù)碼管顯示器的數(shù)字 N 與 Cx的大小可符合題中所要求的函數(shù)關(guān)系。（電路如圖 2— 1所示） 數(shù)字電容測量儀 5 圖 2— 1 方案Ⅰ電容測量框圖 方案Ⅱ： 這種電容測量方 法主要利用了電容的充放電特性 Q UC? ，放電常數(shù)RC?? ，通過測量與被測電容相關(guān)電路的充放電時間來確定電容值。一般情況下，可設(shè)計(jì)電路使 T ARC? ( T 為振蕩周期或觸發(fā)時間； A 為電路常數(shù)與電路參數(shù)有關(guān) )。這種方法中應(yīng)用了 555 芯片組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在秒脈沖的作用下產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，來控制門電路實(shí)現(xiàn) 計(jì)數(shù)，從而確定脈沖時間，通過設(shè)計(jì)合理的電路參數(shù)，使計(jì)數(shù)值與被測電容相對應(yīng)。其原理框圖如圖 2— 2所示。 圖 2— 2 方案Ⅱ電路原理框圖 誤差分析：這種電容測量方法的誤差主要由兩部分組成：一部分是由 555 芯片構(gòu)反向器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 顯示 窄脈沖觸發(fā)器 秒脈沖發(fā)生器 譯碼器 鎖存器 記數(shù)器 標(biāo)準(zhǔn)記數(shù)脈沖 數(shù)字電容測量儀 6 成的振蕩電路和觸發(fā)電路由于非線性造成的誤差，其中最重要的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差， 00//C C T T? ? ? (T 由充放電時間決定， 0C 是被測電容值 )；另一部分是由數(shù)字電路的量化誤差引起，是數(shù)字電路特有的誤差該誤差相對影響較小，可忽略不計(jì)。 這種方法硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，實(shí)際上是通過犧牲硬件部分來減輕軟件部分的負(fù)擔(dān)，但在具體設(shè)計(jì)中會碰到很大問題，而且硬件一旦設(shè)計(jì)好，可變性不大。 方案Ⅲ： 基于 STC89C52 單片機(jī)和 555 芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路電容測量 這種電容測量方法主要是通過一塊 555 芯片來測量電容，讓 555 芯片工作在直接反饋無穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下， 555 芯片輸出一定頻率的方波，其頻率的大小跟被測量的電容之間的關(guān)系是： /( * )xf R C? ，我們固定 R 的大小，其公式就可以寫為： / xf k C? ，只要我們能夠測量出 555 芯片輸出的頻率，就可以計(jì)算出測量的電容。計(jì)算頻率的方法可以利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 0T 和中斷 0INT 配合使用來測量，這種研究方法相當(dāng)?shù)暮唵巍Ｏ到y(tǒng)框圖見圖 2— 3。 圖 2— 3 系統(tǒng)框圖 圖中給出了整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由四個主要部分組成，單片機(jī)和晶振電路設(shè)計(jì)， 555 芯片電路設(shè)計(jì)，顯示電路設(shè)計(jì)，復(fù)位電路設(shè)計(jì)。 STC89C52 555 晶振電路 被 測 電 容 LCD1602 顯示 復(fù)位電路 測量按鍵 數(shù)字電容測量儀 7 方案比較，做出選擇 電容器作為非常重要的一個電學(xué)元件在現(xiàn)代電子技術(shù)中有著非常廣泛的用途，電容定義為：電容器所帶的電荷量 Q 與電容器兩極板間的電勢差 U的比值，即： QC U? 。這種原始的方法必須通過測量兩個物理量來計(jì)算電容的大小，而其中的 Q 是比較難以測量的量。目前常用的兩種測量電容的實(shí)現(xiàn)方法：一是利用多諧震蕩產(chǎn)生脈沖寬度與電容值成正比信號，通過低通濾波后測量輸出電壓實(shí)現(xiàn)；二是利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)裝置產(chǎn)生與電容值成正比門脈沖來控制通過計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖的通斷，即直接根據(jù)充放電時間判斷電容值。 利用多諧震蕩原理測量電容的方案硬件設(shè)計(jì)比較簡單，但是軟件實(shí)現(xiàn)相對比較復(fù)雜，而直接根據(jù)充放電時間判斷電容值的方案雖然基本上沒有用到軟件部分，但是硬件卻又 十分的復(fù)雜。而且他們都無法直觀的把測量的電容值大小顯示出來。 根據(jù)上面兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)提出了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都相對比較簡單的方案：基于 STC89C52 單片機(jī)和 555 芯片的數(shù)顯式電容測量。該方案主要是根據(jù)555 芯片的應(yīng)用特點(diǎn)，把電容的大小轉(zhuǎn)變成 555 輸出頻率的大小，進(jìn)而可以通過單片機(jī)對 555 輸出的頻率進(jìn)行測量。本方案的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都相對簡單。數(shù)字電容測量儀 8 3 測量儀的結(jié)構(gòu)原理器件介紹 單片機(jī) STC89C52的介紹 STC89C52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（ FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 搞密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 單片機(jī)總控制電路如下圖 3— 1： 圖 3— 1單片機(jī)總控制電路 主要特性 STC89C52 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 RXD 和 TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時鐘 電路如圖 3— 2(a) 所示，在 RXD 和 TXD 引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振數(shù)字電容測量儀 9 蕩頻率可以在 ～ 12MHz 之間選擇，電容值在 5～ 30pF 之間選擇，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用。 外部方式的時鐘電路如圖 3— 2（ b） 所示， RXD 接地， TXD 接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。 示， RXD 接地， TXD 接外部 振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。 RXD 接地， TXD 接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。 （ a）內(nèi)部方式時鐘電路 （ b）外部方式時鐘電路 圖 3— 2時鐘電路 （ 1）復(fù)位操作 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動。 除 PC 之外，復(fù)位操作還對其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表 一 所示。 表 一些 寄存器的復(fù)位狀態(tài) 數(shù)字電容測量儀 10 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TCON 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0P3 FFH SCON 00H IP XX000000B SBUF 不定 IE 0X000000B PCON 0XXX0000B TMOD 00H （ 2）復(fù)位信號及其產(chǎn)生 RST 引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù) 24個振蕩周期 (即 二個機(jī)器周期 )以上。若使用頗率為 6MHz 的晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過 4us 才能完成復(fù)位操作。 產(chǎn)生復(fù)位信號的電路邏輯如圖 3— 3 所示： 圖 3— 3復(fù)位信號的電路邏輯圖 整個復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號 (RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個機(jī)器周期的 S5P2 時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。 復(fù)位操作有上電自動復(fù)位相按鍵手動復(fù)位兩種方式。 數(shù)字電容測量儀 11 上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖 3— 4（ a）所示。這佯，只要電源 Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。 按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc 電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖 3— 4（ b） 所示；而按鍵脈沖復(fù)位則是利用 RC 微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的， 其電路如圖 3— 4（ c）所示： （ a）上電復(fù)位 （ b）按鍵電平復(fù)位 （ c）按鍵脈沖復(fù)位 圖 3— 4復(fù)位電路 上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于 6MHz 晶振，能保證復(fù)位信號高電平持續(xù)時間大于 2 個機(jī)器周期。 引腳功能說明 ： ① 主電源引腳（ 2 根） VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V電源 GND(Pin20)：接地線 ② 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 ③ 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號 PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號 數(shù)字電容測量儀 12 EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程 序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 ④ 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） STC89C52 單片機(jī)有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。 PO 口（ Pin