数字式电容测量仪的设计与制作报告模板.docx

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数字式电容测量仪的设计与制作报告模板

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通信与电子学院

《综合设计实训Ⅰ》

数字式电容测量仪的设计与制作报告

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数字式电容测量仪的设计与制作

摘要:

针对现有的电容测量仪器量程不高且精度有限问题，使用AT89C51单片机NE555单稳态电路及LED数码显示，通过程序设计，实现了一种直观经济的电容测试仪实验表明，该仪器提高了电容量程和测量精度，性能稳定可靠，可广泛应用于电容等电子元器件检测之中。

关键词:

电容测试仪;单片机;量程;精度

1．引言

电容容量是电学理论分析与电路设计中的重要参数。

电容容量测量的主要方法有电桥平衡法、谐振频率测量法或脉冲宽度测量法等等。

交流电桥虽然测量准确，但存在笨重、操作繁琐、不能自动测量的缺陷。

目前一般的数字万用表测量电容的最大值仅为20F，且测量精度有限，遇到要测量较大的电容时往往无能为力随着单片机性能的不断提高，将其应用于对电容的测量中具有方便直观经济的优点，并可以进行软件校准，减少测量误差（一般能够精确在0.5%左右）同时，通过对LED数码显示管或LCD液晶的合理使用还可使检测人员能够更直观地读取电容数值。

2．设计要求与方案论证

2.1设计要求

1、基本部分

（1）自制稳压电源、绿色发光管指示接通电源，正常工作。

（2）被测电容的容量在0.01μF至200μFX围内

（3）能够根据测量电容的大小自动转换合适量程。

（4）用4个数码管或液晶显示测量结果，测量误差小于10%。

（5）当电容值超出上述X围时测量仪溢出报警，黄色发光管LED点亮。

（6）当电容短路时测量仪发出声光报警，红色发光管LED点亮。

2、发挥部分

（1）被测电容的容量扩大到1000PF至1000μFX围内。

（2）测量误差小于10%。

2.2方案设计

根据设计要求，系统可以分为测量电路、通道选择和控制电路三大部分,如图2-1所示。

2-1系统硬件结构框图

2.2.1测量电路方案

方案一

测量电路的核心是由555定时器构成的多谐振荡器,将电容的大小转换成频率的大小，然后使用单片机计数后再运算求出电容值。

该方案的电路及波如下图2-2所示。

其中Cx是被测电容。

图2-2555构成多谐振振荡器及输出波形

方案二

测量电路的核心是由555定时器构成的单稳态电路,将电容的大小转换成脉冲宽度，然后使用单片机测出脉冲宽度再运算求出电容值。

该方案的电路及波如下图2-3所示。

其中Cx是被测电容。

图2-3555构成单稳态电路及输出波形

综合上述选择方案二

2.2.2量程切换电路方案

方案一

采用单刀三掷开关进行切换，电路简单容易，缺点要手动切换量程，比较麻烦。

方案二

采用模拟开关进行切换，通过单片机判断电容的大小发出选通信号，切换合适的量程，完全实现智能化量程。

综合上述选择方案一基本能够满足设计要求。

2.2.3控制电路方案

方案一

控制电路可用数字电路实现，简单容易实现，但存在精度不高、布线复杂、扩展能力并有等问题。

方案二

控制电路采用单片实现，精度高，可扩展性高，容易实现智能化，缺点是要编写程序，对没有编程经验的同学有一定难度。

综合上述选择方案二。

3．单元电路设计

3.1单片机构成的控制电路

3.1.1单片机芯片选择

单片机选择我们熟悉的AT89C51。

AT89C51是一个低电压高性能的CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的制度程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通过8位中央处理器和Flash存储单元，可为客户提供许多高性价比的应用场合同时AT89C51还具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM定时/计数器串行口和外中端口，系统唤醒后即进入继续工作状态在省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。

由单片机构成的控制电路包括AT89C51、OSC晶振和LED显示。

电路如下图3-1所示。

（根据实际情况来写，以下只是参考）

图3-1单片机控制电路

3.1.2OSC晶振电路（根据实际情况来写，以下只是参考）

OSC晶振起振后，将在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz～1.6MHz电容C01和C02可以帮助起振，典型值为30pf，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

3.1.3数码显示电路（根据实际情况来写，以下只是参考）

显示电路可以采用LED显示电路也可以采用LCD液晶显示电路。

如果采用LED显示，由于本装置最大测量X围有四位数，当一个显示装置中采用多位LED显示器时，通常采用动态扫描电路，以节省硬件开销同时在本设计中，还需解决显示不闪烁和亮度不足的问题，实验证明，扫描频率应不低于100Hz控制扫描频率可由软件完成要获得足够的显示亮度，就应合理地选择LED每段流过的正向电流，并据此来设计驱动电路和限流电阻的值。

本电路中，当采用5V供电时，限流电阻选择300Ω。

3.2555测量电路

555电路按照结构特点分为单稳态电路，双稳态电路和无稳态电路，在本设计中所设计到的为单稳态电路。

NE555集成电路构成单稳态触发器如图3-2所示，电路中的电阻R和电容Cx构成充电回路端采用负脉冲触发平时ui=1，电路处于稳定状态，当有触发脉冲到来时，电路进入暂稳态，暂稳态的时间即单稳态触发器输出脉冲的宽度TW=1.1RCx，单稳态触发器输出波形为图3-3所示。

测量原理：

用555电路组成单稳态电路，当在它的第2脚加上一个负脉冲，并使2脚输入电压跳变到电源电压的1/3时，555内部触发器将被置1，此时在它的输出端第3脚会输出高电平，电路进入暂稳态，设555电路输出高电平的时间为td，td等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间与外接电阻的待测电路有关，且等于待测电容电压在充电过程中从0上升到2/3Vcc所需要的时间，故可得到公式td=RCln（Vcc-0）/（Vcc-2/3Vcc）=1.1RCx。

由以上公式可求出Cx=td/1.1R。

在本设计中，电阻是已知的，故只要测出555输出高电平的时间便可测出电容的容量。

图3-2NE555构成单稳态触发器图3-3单稳态触发器输出波形

3.3量程切换电路

量程切换电路采用单刀三掷开关，通过单刀三掷开关接通相应的电阻来实现量程变换。

三个理程基本能满足设计要求。

R1、R2、R3分别取1K、100K、1M。

电阻小时适合被测电容大，反之则适合被测电容小。

量程切换电路如下图3-4中虚线所示电路。

图3-4量程切换电路

4．程序设计

4.1内存地址及管脚分配（根据实际情况来写，以下只是参考）

21H～24H为显示数据存储区，21H存放最高位，24H存放最低位，40H～50H共30个字节存放10次测量数据，25H为量程计数器，7EH为数据指针，7FH为测量次数计数器，01H、02H、03H分别代表三个不同的电容量程。

P1.7和P3.7用来选择量程，P3.5输出触发555电路。

本设计中的程序由主程序和若干子程序组成。

4.2程序说明（根据实际情况来写，以下只是参考）

首先用P1.7、P3.7两管脚来选择量程，并将可选的三种量程送入单片机，在将数据指针赋初值后，通过比较判断指令来确定选择何种量程，若未有可选量程则返回J，这里J代表停机指令，接着将10次的测量次数赋给测量次数计数器7FH，这时单片机内部定时/计数器来对10次测量进行定时并中断返回，在将定时/计数器T0的高8位低8位数据全部清零后，触发555电路开始重新计数，在对每一个电容测量时均需测量10组数据，将其相加取平均值后方可确定此电容的精确容值由于数值要从LED数码显示管显示出来，故要把二进制码转化为BCD码，并将BCD码转化为LED可显示的数据。

4.3相关子程序设计（根据实际情况来写，以下只是参考）

数据相加子程序:

START4:

MOVR0，40H

MOVRA，45H

MOVR2，#05H

CLRC

MOVA，R0;将10次测量数据相加

ADDCA，R1

MOV50H，A

INCRO

INCR1

DJNZR2，LOOP

MOV50H，R0;将10次数据取平均值

MOVA，#50

MOVB，#0AH

DIVAB

B－BCD子程序:

MOVA，20H;将二进制转化为BCD码

MOVB，#2EBH

DIVAB

MOV21H，A

MOVA，B

MOVB，#64H

DIVAB

MOV22H，A

MOVA，B

MOVB，#0AH

DIVAB

MOV23H，A

MOV21H，B

这部分程序应该注意到，由于本设计的显示区域是由4位LED数码显示管组成的，因此它的千位显示数码应该由它的十进制数除以1000（即16进制的3EB）以此类推得到最终显示的数据。

4．电路安装与调试

4.1电路仿真（根据实际情况来写，以下只是参考）

将上述设计好的电路和程序在Proteus环境中仿真，为了方便本系统采用LCD液晶显示。

仿真电路如下图4-1所示。

图4-1电路仿真图

从仿真结果可以看出，设计是成功的，现下来变可以安装调试了。

4.2画出布线图（PCB图）（根据实际情况来写，以下只是参考）

先在DXP2004中画出PCB图，然后在万能板上描出。

描图时要注意线间距离，元件分布要注意避免相互干扰。

并且按照左边电源，中间单稳电路，右边单片机电路，显赫电路置于顶部合适位置。

元件分布图大致如下图4-1所示。

4.3安装与调试

安装前先检测、检查所有元器件。

安装顺序：

先装电源，并检查测试输出电压是否正常。

如正常可进入下一步安装。

接下来安装NE555电路，安装完后，用示波器检查有没有输出脉冲，当然事先要给单稳一个触发信号。

最后安装单片电路、显示器等，单片机中要事先写入程序。

根据自己的情况定详细一点。

系统安装后的正、反面照片如下所示。

5．结束语

经实验表明，AT89C51单片机能够很好的控制电容测量模块，对研究电容式传感器有很好的促进作用，该单片机简化了电路设计过程，降低产品的开发难度，使测量结果达到较高的精度，方便了研究人员的开发及实验室人员的测试。

当然，本设计对于电容的测量依然是有误差的其误差的主要来源于温度的变化和电源电压的绝对精度;其他误差来源包括周期测量的量化误差，除法运算产生的余数误差和电源电压的波动造成的谐振频率偏移所带来的误差，因此本设计最重要的是选用稳压性能好的稳压电源在今后的研究中，还将开发一种结构简单的稳压源，并将其集成在本设计中，使本设计能够满足不用场合的测量应用。

6．参考文献:

［1］X毅刚．MCS－51单片机应用设计［M］．XX工业大学，2000．

［2］王懿华．单片机原理及其接口技术［M］．中国电力，2009．

［3］谢宜仁．单片机接口技术实用宝典［M］．机械工业，2011．

［4］李学海．PIC单片机实用教程:

基础篇［M］．2版．航空航天大学，2007．

7．实训总结

通过一周的实训本人已园满完成了电容测量仪的设计与制作。

在制作过程中遇到了许许多多各种各样的问题，在老师和同学们的帮助下都一一解决，现将安装与调试过程中的体会总结如下：