框圖中的外接電容是定時(shí)電路中的一部分。當(dāng)外接電容的容量不同時(shí)，與定時(shí)電路所對(duì)應(yīng)的時(shí)間也有所不同，即C=f(t)，而時(shí)間與脈沖數(shù)目成正比，脈沖數(shù)目可以通過(guò)計(jì)數(shù)譯碼獲得。

（1）基本要求

① 自制穩(wěn)壓電源。

② 被測(cè)電容的容量在10pF至10000μF范圍內(nèi)

③ 設(shè)計(jì)四個(gè)的測(cè)量量程。

④ 顯示測(cè)量結(jié)果，測(cè)量誤差小于2.5%。

數(shù)字顯示：顯示分辨率:每檔滿量程的0.1%；

電容測(cè)量：電壓可選擇5V,25V,50V；

為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)，達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，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STC89C52單片機(jī)和555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路測(cè)量電容的方案。

現(xiàn)在一一介紹論證如下。

根據(jù)積分電路原理可得C=Ui*dt/R*Uo，將經(jīng)過(guò)RC充電電路后，輸出的與電容對(duì)應(yīng)的電壓值輸入到ADC0809中，經(jīng)過(guò)處理后，將相應(yīng)的數(shù)值傳到單片機(jī)里，再通過(guò)公式運(yùn)算，求得相應(yīng)的電容C值，在LCD上顯示。

圖1-2 方案Ⅱ電容測(cè)量框圖

比較上述三種方案可知，方案Ⅰ和ⅠⅠ采用了A/D轉(zhuǎn)換器，價(jià)格比較昂貴；而且根據(jù)公式可知，再換算電壓與電容值時(shí)，時(shí)間參數(shù)t起著至關(guān)重要的作用，對(duì)t的計(jì)算要精確，不然誤差值會(huì)很大，所以調(diào)試起來(lái)有一定難度；方案Ⅲ電路簡(jiǎn)單，原理清晰，易于實(shí)現(xiàn)，易于控制，本設(shè)計(jì)就是基于方案Ⅲ展開(kāi)的。

為使單片機(jī)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2-3 單片機(jī)工作電路

由圖2-3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(jī)正常工作的必備電路。同時(shí)，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）。

圖2-4是555時(shí)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，2腳用于接收單片機(jī)P3.7口產(chǎn)生的低脈沖，3腳接于P3.2腳，用于門控制計(jì)時(shí)器0的啟動(dòng)與停止。從而將電容容量轉(zhuǎn)為脈沖寬度。

圖2-4 555芯片與單片機(jī)的連接

如圖2-5所示，按鍵接于P3.3口，即外部中斷1接口，因此低脈沖是利用中斷實(shí)現(xiàn)的，P3.7口產(chǎn)生低脈沖，可在軟件中的外部中斷1函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程為，需要測(cè)量時(shí)，按鍵，產(chǎn)生外部中斷，利用外部中斷，用軟件再在P3.7口產(chǎn)生一個(gè)低脈沖，之所以利用中斷實(shí)現(xiàn)該功能，是為了增加產(chǎn)品的可靠性，因?yàn)榘存I的時(shí)間是比較長(zhǎng)的，直接用按鍵產(chǎn)生低脈沖可能導(dǎo)致T1 > Tw ，導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。而利用中斷，可以直接在中斷函數(shù)中產(chǎn)生一個(gè)固定時(shí)間的低脈沖，保證了測(cè)量條件，避免發(fā)生錯(cuò)誤。

圖2-5  按鍵產(chǎn)生低脈沖電路

如圖2-6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(shí)，就必須交互。鍵盤分為獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤，這里只需要實(shí)現(xiàn)量程的選擇，共四個(gè)量程，故無(wú)需矩陣鍵盤，4個(gè)獨(dú)立按鍵就完全夠用了。

圖2-6   鍵盤電路

如圖2-7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2-7  指示燈電路

在圖2-4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(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。具體電路如圖2-8所示，利用繼電器時(shí)需特別注意，由于單片機(jī)輸出電流是很小的，不足以驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，因此要加驅(qū)動(dòng)電路，在這里，選擇ULN2003芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以利用典型的三極管驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然選擇的是芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，在這里也將典型的三極管驅(qū)動(dòng)電路列于此。如圖2-9所示。

圖2-8  實(shí)現(xiàn)量程選擇電路

圖2-9  利用三極管的驅(qū)動(dòng)電路

   如圖2-10所示，lcd接與P1口，用于顯示電容值以及一些相應(yīng)的測(cè)量信息。

圖2-10  lcd顯示電路

至此，整個(gè)電容測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)部分就設(shè)計(jì)好了，接下來(lái)，需要的就是與之相匹配的軟件支持了。

軟件編程平臺(tái)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(dòng)問(wèn)題，因此選擇方便快捷的C語(yǔ)言編程。在編程中，將該程序分為三個(gè)模塊：延時(shí)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(jiàn)附錄二�？傮w程序較長(zhǎng)，但并不復(fù)雜，可根據(jù)需要重點(diǎn)看主函數(shù)，與硬件電路結(jié)合起來(lái)，注重程序后緊跟的注釋，理解起來(lái)是比較容易的，在此就不再一一詳細(xì)分析。

由于量程的選擇是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在這里單獨(dú)討論量程的選擇。

系統(tǒng)采用單片機(jī)片內(nèi)16 位的定時(shí)器測(cè)量TW 的寬度, 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖的周期為1 微秒時(shí), 為確保計(jì)數(shù)器不發(fā)生溢出, 要求TW < 65 毫秒。同時(shí), 為減小量化誤差對(duì)結(jié)果的影響, 要求TW > 1 微秒。當(dāng)TW >100 微秒以上時(shí), 可忽略量化誤差的影響。為滿足10pF ~ 500uF 的測(cè)量范圍, 可通過(guò)設(shè)置不同充電電阻R 的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論計(jì)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2-1 所示。系統(tǒng)分為四個(gè)量程, 可測(cè)量10pF ~ 500uF 的電容。

表2-1 R值與量程范圍的關(guān)系

圖2-11 原理圖設(shè)計(jì)

圖2-12  PCB設(shè)計(jì)

在此并沒(méi)有布雙層板，紅色的線僅僅只是為了標(biāo)志出跳線。

圖2-13   設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)物圖

各個(gè)按鍵功能如圖中文字說(shuō)明。

由于該作品需實(shí)現(xiàn)的功能僅為測(cè)電容，在此不列出其他的測(cè)試。

在此以100pf電容測(cè)試為例，演示整個(gè)測(cè)試過(guò)程。測(cè)試標(biāo)稱值為101的電容，即測(cè)量電容值為100pf的電容。104的電容實(shí)物如圖2-14所示。測(cè)試結(jié)果如圖2-15所示。若量程選擇錯(cuò)誤，測(cè)試結(jié)果如圖2-16所示。

圖2-14 100nf的電容實(shí)物

圖2-15 2nf電容正常測(cè)試

圖2-16 量程錯(cuò)誤情況下的測(cè)試

再以測(cè)試4.7uf電容為例，測(cè)試結(jié)果如圖2-18所示。

圖2-18 測(cè)試4.7uf的電容

將測(cè)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3-1。

表3-1 測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較

由表3-1中數(shù)據(jù)可知，平均誤差是0.5%,低于設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求的2.5%，測(cè)量范圍是10pf~500uf，基本滿足設(shè)計(jì)要求的10pf~10000uf。測(cè)量結(jié)果由液晶直觀顯示。綜合以上分析，該設(shè)計(jì)滿足整體設(shè)計(jì)要求。

由于產(chǎn)生的0.5%左右的誤差，在這里簡(jiǎn)要分析一下誤差產(chǎn)生的原因。

電容測(cè)量的誤差主要由NE555 定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差T 、計(jì)數(shù)器的量化誤差&#1048577;N 和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(jì)數(shù)脈沖來(lái)自單片機(jī)內(nèi)核時(shí)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。量化誤差&#1048577;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(jì)數(shù)脈沖, 量化產(chǎn)生的最大誤差為1 微秒。通過(guò)設(shè)置充電電阻R 的阻值, 使TW 達(dá)到毫秒級(jí)時(shí), 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(guò)硬件參數(shù)修正和軟件算法補(bǔ)償來(lái)減小。

  經(jīng)過(guò)本次歷經(jīng)4周的實(shí)習(xí)，使得我又進(jìn)一步對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)，尤其測(cè)量電容的電路系統(tǒng)有了深一步認(rèn)識(shí)。在做前期準(zhǔn)備工作時(shí)，老師不希望我們用555芯片做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槿绻��?55芯片震蕩電路來(lái)測(cè)量的話，雖然制作原理簡(jiǎn)單，但測(cè)量值會(huì)很不穩(wěn)定，測(cè)范圍也不夠廣。可出于堅(jiān)信化繁為簡(jiǎn)的信念，在沒(méi)做過(guò)實(shí)物的情況下，我們還是硬著頭皮還是想驗(yàn)證下事實(shí)是不是如此（如果不成功再改換方案）。 起初查閱了很多資料，比如伏安法中的自由軸法制作測(cè)量電容電路，LC震蕩側(cè)電容電路等，老師也推薦了方案二中的積分法測(cè)量電路，但因?yàn)樵谶M(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，因?yàn)榉e分測(cè)容法中C=Ui*dt/Uo*R,而我們無(wú)法精確確定ADC在輸出口的傳輸時(shí)間（哪怕是幾十us），所以有種無(wú)法掌控誤差的感覺(jué)，再加上出于成本考慮，所以沒(méi)有首選這種方法。而對(duì)于利用555芯片單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)這種法案的分析，我則很相信，這個(gè)電路是可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能的，并且只要輸出穩(wěn)定，我就可以做相應(yīng)補(bǔ)償。 在經(jīng)過(guò)一系列的仿真，實(shí)物制造和調(diào)整后，最初做出來(lái)的板子并不能運(yùn)行的，后面反復(fù)徹查后，才發(fā)現(xiàn)原來(lái)自己的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了差漏，少連或錯(cuò)連了一些關(guān)鍵線路，于是又重新修整過(guò)。經(jīng)過(guò)修正后的電路中終于可以開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量了，起初的測(cè)量只有在nf檔和10uf以下檔位下，測(cè)量值是基本滿足要求的，而PF襠和100uf以上的檔位并不滿足已要求的，甚至不夠穩(wěn)定，所以我開(kāi)始將擋位縮小，將10pf~10000uf的要求，縮減為100Pf~500uf，果然修正后的電路，測(cè)量穩(wěn)定了。再經(jīng)過(guò)軟件補(bǔ)償后，最終獲得了在精度上可以滿足要求的方案。（Ps:因?yàn)樽畛踉O(shè)計(jì)的時(shí)候只選擇了4個(gè)擋位，而手上電容最大才470uf,出于“最穩(wěn)定測(cè)量”的考慮，所以才改的100pf~500uf擋位。即：本方案也可能可以測(cè)量500uf以上的電容，只要將其中的100歐姆電阻改小即可。）

基于51單片機(jī)的數(shù)字電容測(cè)量?jī)x.doc (2.04 MB, 下載次數(shù): 460)

2018-6-27 11:36 上傳

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數(shù)字電容