基于单片机的电容测试仪

基于单片机的电容测试仪

摘要：提出了一个电容测量解决方案，采用NE555与被测电容构成多谐振荡器，单片机控制多谐振荡器起振信号，采用单片机外部中断和定时器判断多谐振荡器输出一个完整方波的时间，再根据多谐振荡器匹配电阻计算得到被测电容电容值并送入液晶显示。

关键词：电容测试仪，单片机，LCD1602，AT89C51

Abstract: This paper puts forward a capacitance measurement solutions, using NE555 and measured capacitance constitute multivibrator, single-chip microcomputer control multivi- brator on vibration signal, USES the monolithic external interrupt and timer judgment ltivi brator output a complete square wave time, again according to the multivibrator matching resistance calculation get measured capacitance capacitance value and into the liquid crys- tal display.

Keywords: capacitance measurement solutions，microcomputer，LCD1602，AT89C51

目录

1 前言 (1)

2 整体方案设计 (2)

2.1方案论证 (2)

2.2方案比较 (3)

3 单元模块设计 (4)

3.1多谐振荡器模块 (4)

3.2单片机模块 (5)

3.3显示模块 (6)

3.4电源模块 (6)

4 软件设计 (7)

5 系统技术指标及精度和误差分析 (8)

6 结论 (9)

7 设计小结 (10)

8 参考文献 (11)

附录1：电路总图 (12)

附录2：软件代码 (13)

1 前言

电容，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。因电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，所以广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。电容按结构划分主要有二种：一是固定电容，二是可变电容．按电介质划分主要有：有机介质电容器，无机介质电容器，电解电容等．按材料分为陶瓷电容，用于高频的云母电容；涤沦电容，用于中低频；金属膜电容，用于低频；电解电容是固定电容，一般体积比较大，用在低频滤波电路中，它有正负极之分使用时不能接反，否则会发生漏液或爆炸．电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为极板，中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。电容值的测量对于硬件设计显得非常重要，硬件计算所得电容值与我们选择电容时见到电容的标称值存在着差距，因为电容的制作工艺不同，不能保证电容的实际值和标称值完全一样，这样给我们使用带来很多麻烦，特别是在高频电子中，电容值的微小变化都肯能引起结果的极大不精确，由此测量电容值的意义可见一斑。

2 整体方案设计

本设计的整体思路是：利用NE555时基集成电路与被测电容构成多谐振荡器，通过单片机对多谐振荡器输出计数得到电容值与多谐振荡器输出方波周期之前的关系，从而通过判断方波周期得到被测电容的电容值，并通过LCD12864显示出来。

2.1 方案论证

设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。

方案一：电容放电时间方案

τ=，通过测量与被测这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性，放电常数RC

电容相关电路的充放电时间来确定电容值。用NE555芯片组成的单稳态触发器，在秒脉冲的作用下产生触发脉冲，根据电容值不同，其脉冲高电平持续时间不同我们可以通过单机对其放电高电平时间计时，得到电容放电时间与高电平计时之间的关系，从而用高电平续时间反推出电容值，这种方案原理框图如下：

秒脉冲

单片机

被测电容+NE555LCD12864显示

电源

图2.1 电容放电时间方案框图

方案二：单片机计数方案

本方案的设计思路是利用NE555时基集成电路与被测电容构成多谐振荡器，通过单片机对多谐振荡器输出计数得到电容值与多谐振荡器输出方波周期之前的关系，从而通过判断方波周期得到被测电容的电容值，并通过LCD1602显示出来。

单片机被测电容+NE555

多谐振荡器LCD12864显示

电源

图2.2 单片机计数方案框图

2.2 方案比较

由于方案一采用计时高电平方法与方案二采用计数方法相比，方案一产生的误差较大，且对pF 级别的电容测量存在很大困难，而方案二能容许电容值很小故方案二精度更高，实用范围更广，本次设计选择方案二。

3 单元模块设计

本次设计系统由多谐振荡模块，单片机模块，和显示模块组成，其中多谐振荡器由NE555和被测电容构成，单片机模块由51单片机及其外围电路组成。显示模块有LCD12864组成。

3.1 多谐振荡器模块

该模块由NE555构成多谐振荡器，其中R1取100欧姆，R2取20欧姆，C2为被测电容。如下图所示：

图3.1 NE555构成的多谐振荡器

NE555 （Timer IC）为8脚时基集成电路，大约在1971年由Signetics Corporation 发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。