【導(dǎo)讀】核準(zhǔn)通過(guò)，歸檔資料。未經(jīng)允許，請(qǐng)勿外傳！漸廣泛起來(lái)，在應(yīng)用中我們常常要測(cè)定電容的大小。具備一定規(guī)格年限的使用壽命。因此在生產(chǎn)這一環(huán)節(jié)中，對(duì)其產(chǎn)品的檢測(cè)至關(guān)重要，同樣，在維修人員在對(duì)電子產(chǎn)品的維修中，電路的檢測(cè)是最基本的，有時(shí)需要。檢測(cè)電路中各個(gè)部件是否工作正常，電容器是否工作正常。因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電容測(cè)試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。

　　

【正文】 沒(méi)有達(dá)到的條件下，一味地追求精度或追求高指標(biāo)，而沒(méi)有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。上述這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。 近年來(lái)我國(guó)測(cè)量?jī)x器的可靠性和穩(wěn)定性問(wèn)題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測(cè)試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過(guò)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(guó)本土儀器取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是通用電子測(cè)量設(shè)備研發(fā)方面，與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快 速縮小，對(duì)國(guó)外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為中國(guó)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器行業(yè)帶來(lái)了新的契機(jī)，加上各級(jí)政府日益重視，以及中國(guó)自主應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究的快速進(jìn)展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動(dòng)力和機(jī)遇。從中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒中可以看出，中國(guó)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器每年都以超過(guò) 30%以上的速度在快速增長(zhǎng)。在此快速增長(zhǎng)的過(guò)程中，無(wú)疑催生出了許多測(cè)試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。 現(xiàn)今的電容測(cè)量技術(shù)手段 電容器作為非常重要的一個(gè)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(shì)差 U的比值，即： QC U? 。這種原始的方法必須通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)物理量來(lái)計(jì)算電容的大小，而其中的 Q 是比較難以測(cè)量的量。目前常用的兩種測(cè)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(hào)，通過(guò)低通濾波后測(cè)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(lái)控制通過(guò)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(shí)間判斷電容值。 利用多諧 震蕩 原理測(cè)量電容的方案硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但是軟件實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較復(fù)雜，而 直接根據(jù)充放電時(shí)間判斷電容值的方案雖然基本上沒(méi)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(wú)法直觀的把測(cè)量的電容值大小顯示出來(lái)。 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(duì)比較簡(jiǎn)單的方案：基于 AT89C51 單片機(jī)和 555 芯片 的數(shù)顯式電容測(cè)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(guò)單片機(jī)對(duì) 555 輸出的頻率進(jìn)行測(cè)量。本方案的 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都相對(duì)簡(jiǎn)單 ?；趩纹瑱C(jī)的 電容測(cè)試儀設(shè)計(jì) 第 4頁(yè)（共 42頁(yè)） 2 基于單片機(jī)電容測(cè)量硬件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)中考慮了三種設(shè)計(jì)方案， 三種設(shè)計(jì)方案中主要區(qū)別在于硬件電路和軟件設(shè)計(jì)的不同，對(duì)于本設(shè)計(jì)三種方案均能夠?qū)崿F(xiàn)，最后根據(jù)設(shè)計(jì)要求、可行性和設(shè)計(jì)成本的考慮選擇了基于 AT89C51 單片機(jī)和 555 芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路的測(cè)量的方案。現(xiàn)在一一介紹論證如下： 方案一、利用多諧振蕩原理測(cè)量電容測(cè)量原理如下圖所示 。 電容 C 電阻 R 和 555芯片構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩電路 。 在電源剛接通時(shí) (K 合 上 )， 電容 C 上的電壓為零 ， 多諧振蕩器輸出 0V 為高電平 0V 通過(guò) R 對(duì)電容 C 充電 。 當(dāng) C 上沖得的電壓 CV = +TV 時(shí) ， 施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn) ， 0V 變?yōu)榈碗娖?， C 又通過(guò) R 放電 ， CV 下降 。 當(dāng) CV = TV 時(shí)施密特觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn) ， 輸出 CV 又變?yōu)楦唠娖?， 如此往復(fù)產(chǎn)生震蕩波形 。 由 理論分析可知 O H T += R C ln ( V V ) / ( V V )P H O H Tt （ 1） += R C ln ( ) / ( )P L O L T O L Tt V V V V （ 2） =+PH PLT t t + + = ( l n ( ) / ( ) + l n ( ) / ( )O H T O H T O L T O L TR C V V V V V V V V (3) 令 + + = l n ( ) / ( ) + l n ( ) / ( )O H T O H T O L T O L TD V V V V V V V V （ 4） 則 00= , = , =XXT R C D T R C D T R C D 00/ = /XXT T C C （ 5） 0 0 0 0= ( / ) = ( / )X X xC T T C f f C （ 6） 有式 (6)和測(cè)得 的校準(zhǔn)值 0T 測(cè)量值 XT 及存放的軟件中的標(biāo)準(zhǔn)電容值 C 可得出待測(cè)電容值 XC 。 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 也 可 以 通 過(guò) 測(cè) 量 0f 和 Xf 來(lái)算出XC基于單片機(jī)電容測(cè)量硬件設(shè)計(jì) 第 5頁(yè)（共 42頁(yè)） 測(cè)量誤差分析：由式 (6)可以看出，經(jīng)過(guò)軟件校 準(zhǔn)后得出的 xC 結(jié)果與 0/xTT的值有關(guān)。這樣單片機(jī)晶振頻率的絕對(duì)精度，環(huán)境溫度的變化和電源電壓的絕對(duì)精度引起的誤差被消除。測(cè)量結(jié)果主要受標(biāo)準(zhǔn)電容 0C 的絕對(duì)精度影響，因此應(yīng)該選擇精度高、穩(wěn)定性好的 0C ；其他誤差來(lái)源包括周期測(cè)量的量化誤差， 除法運(yùn)算產(chǎn)生的余數(shù)誤差，電源電壓的波動(dòng)造成諧振頻率偏移帶來(lái)的誤差，因此電路 要 用穩(wěn)壓性能好的 穩(wěn)壓電 源 CX C0 K0 K1 555 AT8 9C51 LED 數(shù)碼管 圖 1 電容測(cè)量原理圖 VC VT t V0 t 圖 2 震蕩波形圖 R VT+ V0H V0L 基于單片機(jī)的 電容測(cè)試儀設(shè)計(jì) 第 6頁(yè)（共 42頁(yè)） 這種方法的利用了一個(gè)參考的電容實(shí)現(xiàn)，雖然硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)卻相對(duì)比較復(fù)雜。 方案二、直接根據(jù)充放電時(shí)間判斷電容值 這種電容測(cè)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(guò)測(cè)量與被測(cè)電容相關(guān)電路的充放電時(shí)間來(lái)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(shí)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(lái)控制門電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，從而確定脈沖時(shí)間，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的電路參數(shù)，使計(jì)數(shù)值與被測(cè)電容相對(duì)應(yīng)。其原理框圖如圖 3 所示。 圖 3 電路原理框圖 誤差分析：這種電容測(cè)量方法的誤差主要由兩部分組成：一部分是由 555 芯片構(gòu)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(shí)間決定 ， 0C 是被測(cè)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(duì)影響較小，可忽略不計(jì)。 這種方法硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，實(shí)際上是通過(guò)犧牲硬件部分來(lái)減輕軟件部分的負(fù)擔(dān)，但在具體設(shè)計(jì)中會(huì)碰到很大問(wèn)題，而且硬件一旦設(shè)計(jì)好，可變性不大。 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 基于單片機(jī)電容測(cè)量硬件設(shè)計(jì) 第 7頁(yè)（共 42頁(yè)） 方案三、基于 AT89C51 單片機(jī)和 555 芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路電容測(cè)量 這種電容測(cè)量方法主要是通過(guò)一塊 555 芯片來(lái)測(cè)量電容，讓 555 芯片工作在直接反饋無(wú)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(cè)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(cè)量出 555 芯片輸出的頻率，就可以計(jì)算出測(cè)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(lái)測(cè)量，這種研究方法相當(dāng)?shù)暮?jiǎn) 單。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖 4。 圖 4 系統(tǒng)框圖 圖中給出了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由四個(gè)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)。 硬件設(shè)計(jì)的任務(wù) AT89C51 基本工作電路設(shè)計(jì)：使單片機(jī)正常工作； 時(shí)鐘電路：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)； 復(fù)位電路：為單片機(jī)提供高電平復(fù)位信號(hào)； 555 芯片 電路：把電容的大小轉(zhuǎn)變成輸出頻率的大小； AT89C51 555 晶振電路 被 測(cè) 電 容 LCD1602 顯示 復(fù)位電路 測(cè)量按鍵 基于單片機(jī)的 電容測(cè)試儀設(shè)計(jì) 第 8頁(yè)（共 42頁(yè)） 顯示電路：顯示當(dāng)前測(cè)量電容的大??； 按鍵電路：開(kāi)始測(cè)量電容； 基于 AT89C51 電容測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)分析 AT89C51 單片機(jī)工作電路 本設(shè)計(jì)的核心是單 片機(jī)電路，考慮到 需要一個(gè)中斷輸入，存 儲(chǔ)容量、外部接口對(duì)單片機(jī)端口的需要以及兼顧到節(jié)約成本的原則， 選用了常用的 AT89C51 單片機(jī)。AT89C51 是低功耗、高性能、經(jīng)濟(jì)的 8 位 CMOS 微處理器，工作頻率為 0— 24MHz，內(nèi)置 4K 字節(jié)可編程只讀閃存， 128x8 位的內(nèi)部 RAM， 16 位可編程 I／ O 總線。它采用 Atmel 公司的非易儲(chǔ)器制造技術(shù)，與 MCS51 的指令設(shè)置和芯片引腳可兼容。AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器 可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。AT89C51 工作的最簡(jiǎn)單的電路是其外圍接一個(gè)晶振和一個(gè)復(fù)位電路，給單片機(jī)接上電源和地，單片機(jī)就可以工作了。其最簡(jiǎn)單的工作原理圖如下 圖。 圖 5 AT89C51單片機(jī)工作電路 基于單片機(jī)電容測(cè)量硬件設(shè)計(jì) 第 9頁(yè)（共 42頁(yè)） 基于 AT89C51 電容測(cè)量系統(tǒng)復(fù)位電路 MCS51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 MCS51 單片機(jī)片內(nèi)復(fù)位，復(fù)位引腳 RST 通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2， 斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù) 位和按鈕復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過(guò) RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc 接通而實(shí)現(xiàn)的。按鍵脈沖復(fù)位則是利用 RC 微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖 6 上電復(fù)位電路 上圖兼有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位的電路。在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，若有外部擴(kuò)展的 I/O 接口電路需初始復(fù)位，如果它們的復(fù)位端和 MCS51 單片機(jī)的復(fù)位端相連，復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要 受到影響，這時(shí)復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要統(tǒng)一考慮以保證可靠的復(fù)位。如果單片機(jī) MCS51 單片機(jī)與外圍 I/O 接口電路的復(fù)位電路和復(fù)位時(shí)間不完全一致，使單片機(jī)初始化程序不能正常運(yùn)行，外圍 I/O 接口電路的復(fù)位也可以不和 MCS51單片機(jī)復(fù)位端相連，僅采用獨(dú)立的上電復(fù)位電路。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)的復(fù)位速度比外圍 I/O 快些。若 RC 上電復(fù)位電路接 MCS51 單片機(jī) 和外圍電路復(fù)位端，則能 使 系統(tǒng)可靠地同步復(fù)位。為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位， 在初始化程序中應(yīng)用到一定的復(fù)位延遲時(shí)間。 基于單片機(jī)的 電容測(cè)試儀設(shè)計(jì) 第 10頁(yè)（共 42頁(yè)） 復(fù)位電路軟件程序跑飛或者硬件發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào) ，控制MCS51 單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序，重新執(zhí)行軟件程序。此電路的輸出端RESET 接在單片機(jī)的復(fù)位引腳 。 基于 AT89C51 電容測(cè)量系統(tǒng)時(shí)鐘電路 時(shí)鐘在單片機(jī)中非常重要，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部時(shí)鐘方式： 內(nèi)部時(shí)鐘方式電路圖如下圖所示。 圖 7 內(nèi)部時(shí)鐘電路 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用與構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大 器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個(gè)引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器電路。 電路中的電容 C1 和 C2 典型值通常選擇為 30PF 左右。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快基于單片機(jī)電容測(cè)量硬件設(shè)計(jì) 第 11頁(yè)（共 42頁(yè)） 速性。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在 — 12MHz 之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的 NPO高頻電容。 MCS51 單片機(jī)常選擇振 蕩頻率 6MHz或 12MHz的石英晶體。 外部時(shí)鐘方式：外部時(shí)鐘方式電路圖如下圖所示 。 圖 8 外部時(shí)鐘電路 外部時(shí)鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號(hào)，常用于多片 MCS51 單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。對(duì)外部脈沖信號(hào)只要求高電平的持續(xù)時(shí)間大于 20us， 一般為低于 12MHz的方波。 外部的時(shí)鐘源直接接到 XTAL2 端，直接輸入到片內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器上。由于XTAL2 的邏輯電平不是 TTL 的，因此要外接一個(gè) ～ 10k 的上拉電阻。 這次的設(shè)計(jì)采用 MCS51 的內(nèi)部時(shí)鐘方式。因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘方式是用外部振蕩脈沖信號(hào)，用于多片 MCS51 單片機(jī)同時(shí)工作。在這次設(shè)計(jì)中只用一個(gè) MCS51 單片機(jī)，不需要振蕩脈沖信號(hào)。 基于 AT89C5