基于51單片機(jī)的數(shù)字電容測量儀設(shè)計(jì)

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

（1）基本要求

① 自制穩(wěn)壓電源。

② 被測電容的容量在10pF至10000μF范圍內(nèi)

③ 設(shè)計(jì)四個的測量量程。

④ 顯示測量結(jié)果，測量誤差小于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RC充電電路后，輸出的與電容對應(yīng)的電壓值輸入到ADC0809中，經(jīng)過處理后，將相應(yīng)的數(shù)值傳到單片機(jī)里，再通過公式運(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，價格比較昂貴；而且根據(jù)公式可知，再換算電壓與電容值時，時間參數(shù)t起著至關(guān)重要的作用，對t的計(jì)算要精確，不然誤差值會很大，所以調(diào)試起來有一定難度；方案Ⅲ電路簡單，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，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)時器0的啟動與停止。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)，整個過程為，需要測量時，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的時間是比較長的，直接用按鍵產(chǎn)生低脈沖可能導(dǎo)致T1 > Tw ，導(dǎo)致測量錯誤。而利用中斷，可以直接在中斷函數(shù)中產(chǎn)生一個固定時間的低脈沖，保證了測量條件，避免發(fā)生錯誤。

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，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，共四個量程，故無需矩陣鍵盤，4個獨(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，利用繼電器可以簡單實(shí)現(xiàn)。具體電路如圖2-8所示，利用繼電器時需特別注意，由于單片機(jī)輸出電流是很小的，不足以驅(qū)動繼電器吸合，因此要加驅(qū)動電路，在這里，選擇ULN2003芯片來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以利用典型的三極管驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)，雖然選擇的是芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，在這里也將典型的三極管驅(qū)動電路列于此。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)的測量信息。

圖2-10  lcd顯示電路

至此，整個電容測量儀的硬件設(shè)計(jì)部分就設(shè)計(jì)好了，接下來，需要的就是與之相匹配的軟件支持了。

軟件編程平臺選擇最常用的keil軟件。由于該程序并未涉及到底層的驅(qū)動問題，因此選擇方便快捷的C語言編程。在編程中，將該程序分為三個模塊：延時模塊，1602顯示模塊及主函數(shù)模塊。方便調(diào)試與理解。具體程序見附錄二�？傮w程序較長，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，注重程序后緊跟的注釋，理解起來是比較容易的，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 位的定時器測量TW 的寬度, 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖的周期為1 微秒時, 為確保計(jì)數(shù)器不發(fā)生溢出, 要求TW < 65 毫秒。同時, 為減小量化誤差對結(jié)果的影響, 要求TW > 1 微秒。當(dāng)TW >100 微秒以上時, 可忽略量化誤差的影響。為滿足10pF ~ 500uF 的測量范圍, 可通過設(shè)置不同充電電阻R 的阻值來實(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)分為四個量程, 可測量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

各個按鍵功能如圖中文字說明。

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

在此以100pf電容測試為例，演示整個測試過程。測試標(biāo)稱值為101的電容，即測量電容值為100pf的電容。104的電容實(shí)物如圖2-14所示。測試結(jié)果如圖2-15所示。若量程選擇錯誤，測試結(jié)果如圖2-16所示。

圖2-14 100nf的電容實(shí)物

圖2-15 2nf電容正常測試

圖2-16 量程錯誤情況下的測試

再以測試4.7uf電容為例，測試結(jié)果如圖2-18所示。

圖2-18 測試4.7uf的電容

將測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%，測量范圍是10pf~500uf，基本滿足設(shè)計(jì)要求的10pf~10000uf。測量結(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，在這里簡要分析一下誤差產(chǎn)生的原因。

電容測量的誤差主要由NE555 定時器構(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)脈沖來自單片機(jī)內(nèi)核時鐘, 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, 可以忽略其頻偏對測量結(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。通過設(shè)置充電電阻R 的阻值, 使TW 達(dá)到毫秒級時, 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, 可通過硬件參數(shù)修正和軟件算法補(bǔ)償來減小。

  經(jīng)過本次歷經(jīng)4周的實(shí)習(xí)，使得我又進(jìn)一步對單片機(jī)系統(tǒng)，尤其測量電容的電路系統(tǒng)有了深一步認(rèn)識。在做前期準(zhǔn)備工作時，老師不希望我們用555芯片做這個實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槿绻��?55芯片震蕩電路來測量的話，雖然制作原理簡單，但測量值會很不穩(wěn)定，測范圍也不夠廣�？沙鲇趫�(jiān)信化繁為簡的信念，在沒做過實(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量電路，但因?yàn)樵谶M(jìn)行理論計(jì)算時，因?yàn)榉e分測容法中C=Ui*dt/Uo*R,而我們無法精確確定ADC在輸出口的傳輸時間（哪怕是幾十us），所以有種無法掌控誤差的感覺，再加上出于成本考慮，所以沒有首選這種方法。而對于利用555芯片單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)這種法案的分析，我則很相信，這個電路是可以實(shí)現(xiàn)測量功能的，并且只要輸出穩(wěn)定，我就可以做相應(yīng)補(bǔ)償。 在經(jīng)過一系列的仿真，實(shí)物制造和調(diào)整后，最初做出來的板子并不能運(yùn)行的，后面反復(fù)徹查后，才發(fā)現(xiàn)原來自己的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了差漏，少連或錯連了一些關(guān)鍵線路，于是又重新修整過。經(jīng)過修正后的電路中終于可以開始進(jìn)行測量了，起初的測量只有在nf檔和10uf以下檔位下，測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，測量穩(wěn)定了。再經(jīng)過軟件補(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)的時候只選擇了4個擋位，而手上電容最大才470uf,出于“最穩(wěn)定測量”的考慮，所以才改的100pf~500uf擋位。即：本方案也可能可以測量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)字電容測量儀.doc (2.04 MB, 下載次數(shù): 460)

2018-6-27 11:36 上傳

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