1、前言第 1 页（共 42 页）基于单片机的电容测试仪设计前言目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。在电子产品的生产和维修中，电容测量这一环节至关重要，一个好的电子产品应具备一定规格年限的使用寿命。因此在生产这一环节中，对其产品的检测至关重要，而检测电子产品是否符合出产要求的关键在于检测其内部核心的电路，电路的好坏决定了电子产品的好与坏，而电容在基本的电子产品的集成电路部分有着其不可替代的作用。同样，在维修人员在对电子产品的维修中，电路的检测是最基本的，有时需要检测电路中各个部件是否工作正常，电容器是否工作正常。因此，
2、设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。基于单片机的电容测试仪设计第 2 页（共 42 页）1选题背景 1.1电容测试仪的发展历史及研究现状当今电子测试领域，电容的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。电容通常以传感器形式出现，因此，电容测量技术的发展归根结底就是电容传感器的发展。由最初的用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器。最初的电容传感器有变面积型，变介质介电常数型和变极板间型。现在的电容式传感器越做越先进，现在用的比较多的有容栅式电容传感器，陶瓷电容压力传感器等。电容测量技术发展也很快现在的电容测量技术也由单一化发展为多元化。现在国内外做传感器的厂商也比较多,在
3、世界范围内做电容传感器做的比较好的公司有：日本 figaro、德国tecsis、美国 alphasense。中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈。尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。每当提起中国测试仪器落后的原因，就会有许多不同的说法，诸如精度不高，外观不好，可靠性差等。实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为：1.测试在整个产品流程中的地位偏低。由于人们的传统观念的影响，在产品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而测试则处于从属和辅助位置。关于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即可窥其一斑。这种错误观念上的原因，造成整个社会
4、对测试的重视度不够，从而造成测试仪器方面人才的严重匮乏，造成相关的基础科学研究比较薄弱，这是中国测量仪器发展的一个主要瓶颈。实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视度以及对仪器本身的研究也明显不够。 2.面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立起来。本土仪器设备厂商只是重研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式。传统的营销模式在计划经济年代里发挥过很大作用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。所以，为了快速缩小与国外先进公司之间的差距，国内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向应用的研发的过渡。特别是随着国内应用需求的快速增长，为这一过渡
5、提供了根本动力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。3.缺乏标准件的材料配套体系。由于历史的原因，中国仪器配套行业的企业多前言第 3 页（共 41 页）为良莠不齐的小型企业，标准化的研究也没有跟上需求的快速发展，从而导致仪器的材选题背景第 3 页（共 42 页）料配套行业的技术水平较低。虽然目前已有较大的改观，但距离整个产业的要求还有一定距离，所以，还应把标准化和模块化的研究放到重要的位置。还有，在技术水平没有达到的条件下，一味地追求精度或追求高指标，而没有处理好与稳定性之间的关系。上述这些都是制约本土仪器发展的因素。近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很
6、大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过 30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。1.2现今的电容测量
7、技术手段电容器作为非常重要的一个电学元件在现代电子技术中有着非常广泛的用途，电容定义为：电容器所带的电荷量 Q 与电容器两极板间的电势差 U 的比值，即：。这种原始的方法必须通过测量两个物理量来计算电容的大小，而其中的 QQCU是比较难以测量的量。目前常用的两种测量电容的实现方法：一是利用多谐震荡产生脉冲宽度与电容值成正比信号，通过低通滤波后测量输出电压实现；二是利用单稳态触发装置产生与电容值成正比门脉冲来控制通过计数器的标准计数脉冲的通断，即直接根据充放电时间判断电容值。利用多谐震荡原理测量电容的方案硬件设计比较简单，但是软件实现相对比较复杂，而直接根据充放电时间判断电容值的方案虽然基本上没
8、有用到软件部分，但是硬件却又十分的复杂。而且他们都无法直观的把测量的电容值大小显示出来。根据上面两种方案的优缺点，本次设计提出了硬件设计和软件设计都相对比较简单的方案：基于 AT89C51 单片机和 555 芯片的数显式电容测量。该方案主要是根据 555 芯片的应用特点，把电容的大小转变成 555 输出频率的大小，进而可以通过单片机对 555 输出的频率进行测量。本方案的硬件设计和软件设计都相对简单。基于单片机的电容测试仪设计第 4 页（共 42 页）2 基于单片机电容测量硬件设计2.1设计方案本次设计中考虑了三种设计方案，三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同，对于本设计三种方案
9、均能够实现，最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了基于 AT89C51 单片机和 555 芯片构成的多谐振荡电路的测量的方案。现在一一介绍论证如下：方案一、利用多谐振荡原理测量电容测量原理如下图所示。电容 C 电阻 R 和555 芯片构成一个多谐振荡电路。在电源刚接通时(K 合上)，电容 C 上的电压为零，多谐振荡器输出 为高电平 通过 R 对电容 C 充电。当 C 上冲得的电压 = 0V0V CV时，施密特触发器翻转， 变为低电平，C 又通过 R 放电， 下降。当 = +TV V时施密特触发器又翻转，输出 又变为高电平，如此往复产生震荡波形。由理论分析可知-OHT+=RCln()/(
10、)PHTt（1）+-l()/()LOLTLTtV（2） =PHLTt(3)-+-(ln)/()ln(-)/()OTHTOLTLTRCV令 OODV（4）则 0=,=XRCD/XTC（5）00(/)(/)xf（6）有式(6)和测得的校准值 测量值 及存放的软件中的标准电容值 C 可得出待测0TX电容值 。实际应用中也可以通过测量 和 来算出XC0fX基于单片机电容测量硬件设计第 5 页（共 42 页）CX C0K0K1 555AT89C51LED 数码管图 1 电容测量原理图VCVT-tV0t图 2 震荡波形图R测量误差分析：由式(6)可以看出，经过软件校准后得出的 结果与 的值xC0/xT有关
11、。这样单片机晶振频率的绝对精度，环境温度的变化和电源电压的绝对精度引起的误差被消除。测量结果主要受标准电容 的绝对精度影响，因此应该选择精度0C高、稳定性好的 ；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0C误差，电源电压的波动造成谐振频率偏移带来的误差，因此电路要用稳压性能好的VT+V0HV0L基于单片机的电容测试仪设计第 6 页（共 42 页）稳压电源这种方法的利用了一个参考的电容实现，虽然硬件结构简单，软件实现却相对比较复杂。方案二、直接根据充放电时间判断电容值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 ，QUCRC通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容
12、值。一般情况下，可设计电路使 ( T 为振荡周期或触发时间； A 为电路常数与电路参数有关)。这种方ARC法中应用了 555 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，来控制门电路实现计数，从而确定脉冲时间，通过设计合理的电路参数，使计数值与被测电容相对应。其原理框图如图 3 所示。 反向器单稳态触发器显示窄脉冲触发器秒脉冲发生器译码器锁存器记数器标准记数脉冲图 3 电路原理框图误差分析：这种电容测量方法的误差主要由两部分组成：一部分是由 555 芯片构成的振荡电路和触发电路由于非线性造成的误差，其中最重要的是单稳态触发电路的非线性误差， (T 由充放电时间决定， 是被测电容值)；
13、另一0/CT0C部分是由数字电路的量化误差引起，是数字电路特有的误差该误差相对影响较小，可忽略不计。这种方法硬件结构相对复杂，实际上是通过牺牲硬件部分来减轻软件部分的负基于单片机电容测量硬件设计第 7 页（共 42 页）担，但在具体设计中会碰到很大问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大。方案三、基于 AT89C51 单片机和 555 芯片构成的多谐振荡电路电容测量这种电容测量方法主要是通过一块 555 芯片来测量电容，让 555 芯片工作在直接反馈无稳态的状态下，555 芯片输出一定频率的方波，其频率的大小跟被测量的电容之间的关系是： ，我们固定 的大小，其公式就可以写为：0.72/(*)xfR
14、CR，只要我们能够测量出 555 芯片输出的频率，就可以计算出测量的电容。/xfkC计算频率的方法可以利用单片机的计数器 和中断 配合使用来测量，这种研究0T0IN方法相当的简单。系统框图见图 4。AT89C51555晶振电路被测电容LCD1602 显示复位电路测量按键图 4 系统框图图中给出了整个系统设计的系统框图，系统主要由四个主要部分组成，单片机和晶振电路设计，555 芯片电路设计，显示电路设计，复位电路设计。2.2 硬件设计的任务AT89C51 基本工作电路设计：使单片机正常工作；时钟电路：为单片机提供时钟信号；复位电路：为单片机提供高电平复位信号；基于单片机的电容测试仪设计第 8 页
15、（共 42 页）555 芯片电路：把电容的大小转变成输出频率的大小；显示电路：显示当前测量电容的大小；按键电路：开始测量电容；2.3基于 AT89C51电容测量系统硬件设计详细分析2.3.1 AT89C51单片机工作电路本设计的核心是单片机电路，考虑到需要一个中断输入，存储容量、外部接口对单片机端口的需要以及兼顾到节约成本的原则，选用了常用的 AT89C51 单片机。AT89C51 是低功耗、高性能、经济的 8 位 CMOS 微处理器，工作频率为 024MHz，内置 4K 字节可编程只读闪存，128x8 位的内部 RAM，16 位可编程 IO总线。它采用 Atmel 公司的非易储器制造技术，与 MCS51 的指令设置和芯片引脚可兼容。AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。AT89C51 工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了。其最简单的工作原理图如下图。
