一種基于單片機智能電容測試儀的設計與實現

摘 要:在分析和比較傳統電容測量儀表的基礎上，提出一種新型智能電容測試儀的設計及實現方案。儀表以MCS-51單片機為控制核心，結合多諧振蕩器和多路開關，僅用較少的外圍資源即可實現，且結構簡單，成本低廉，可獲測量過程智能化和實現數字顯示。經系統測試和使用，該方法性能可靠，測量精度高，彌補了傳統測量方法的不足，達到了預期的設計效果。關鍵詞:單片機;智能電容測試; 多諧振蕩器;數字顯示

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0028-02

Design and Realization of Intelligent Capacitance TesterBased on Single Chip Microcomuter

XU Si-cheng

(Department of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Quantity Engineering Vocation College， Pingdingshan 467002， China)

Abstract: A new scheme for design and implementation of the intelligent capacitance tester is proposed based on the analysis and comparison of traditional capacitance measuring instrument. Taking MCS-51 SCM as a control core of the instrument， the instrument was realized in combination with multichannel harmonic oscillator， multi-way switch and fewer external resources， and the measurement process intellectualization， simple structure， low cost and digital display were achieved. The system testing and application prove that the system has reliable performance， high accuracy of measurement， and achieves the desired effect of the design.Keywords: single chip micro-controller; intelligent capacitance tester; multivibrator; digital display

0 引 言

測量電容元件集中參數值的儀表種類較多，方法也各有不同，但都有其優缺點。一般的測量方法都存在計算復雜，不易實現自動測量，而且很難實現智能化的不足。該設計打破了傳統的設計模式，首先把較難測量的電容元件參數利用555定時器構成的多諧振蕩器轉換成簡易測量的頻率信號[1-2]，然后使用單片機計數后再運算求出電容值，最后送數碼顯示電路，實現了智能化測量，避免了由指針讀數引起的誤差。

1 電路的設計與實現

1.1 電路設計方案及說明

系統分為測量電路、通道選擇和控制電路三大部分[3]，如圖1所示。測量電路的核心是由555定時器[4]構成的多諧振蕩器，通道選擇由集成數據選擇器實現，控制通道由MCS-51[5-6]構成。根據所選通道，通過P0.3口和P0.4口向模擬開關發送兩位地址信號，取得振蕩頻率，然后根據所測頻率判斷是否轉換量程，或者是把數據進行處理后，得出相應的參數值。

1.2 各部分電路設計

1.2.1 電容測量電路

電容的測量采用脈沖統計法[7]，如圖2所示。由555電路構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。555定時器接成多諧振蕩器的形式。該電路的振蕩周期為:

T=T1+T2=Cx(ln 2)(R+2R3)(1)

有:

fx=1/T=1Cx(ln 2)(R+2R3)(2)

所以:

Cx=1/T=1fx(ln 2)(R+2R3)(3)

圖1 系統硬件設計

為了使振蕩頻率保持在這一段單片機計數的高精度范圍內，在選擇合適R的前提下，所測電容分為兩檔:

(1) 當0.001 μF≤Cx≤0.1 μF，且P3.0接高電平，P3.2接低電平時，R=R1=R3=483 Ω，C3取0.01 μF。由式(2)可知，對應頻率fx的范圍為10 kHz≤fx≤1 000 kHz，所以Cx=13fxR1ln 2。

(2) 當0.000 01 μF≤Cx≤0.001 μF，且P3.1接高電平，P3.3接低電平時，R=R2=R3=48.3 kΩ，同樣C3取0.01 μF。由式(2)可知，對應頻率fx的范圍為10 kHz≤fx≤1 000 kHz，所以Cx=13fxR2ln 2。

圖2 電容測試電路

1.2.2 多路選擇開關電路

利用74LS253實現測量類別的轉換，74LS253是雙四選一的模擬開關選擇器件[4]。當選擇了某一通道的頻率后，輸出頻率通過P3.4作為CPU定時器的時鐘源，并開始計數(P3.5懸空)，當計數后讀出計數器的值，除以24就得到了被測C所對應產生的頻率，通過計算得到要被測值，如圖3所示。

圖3 選擇電路

1.2.3 數碼管顯示電路

圖4是四位LED靜態顯示驅動電路。

該電路具有鎖存、譯碼、驅動功能的CD4511[4]作為鎖存/譯碼/驅動電路，筆段測試輸入LT及消隱輸入BI接高電平(無效)，鎖存輸入端LE分別接P1.7，P1.6，P1.5，P1.4。當LE為低電平時，譯碼輸出由ABCD輸入端編碼決定;當LE由低電平變為高電平時，鎖存輸入端ABCD的狀態，譯碼輸出也相應地保持不變，且具有超量程顯示功能[3，8]。

圖4 四位LED靜態顯示驅動電路

圖4中數碼管顯示顯示內容如圖5所示。

圖5 內容顯示

2 系統測試及整機指標

為了檢測該儀表的整機性能，該表和DT9508B型數字萬用表的實測數據如表1所示。

表1 測試數據pF

電容(理論值)萬用表讀數本儀表讀數

7066.767.8

400420410

850810821

5 0004 8104 870

20 00020 60020 400

80 00076 80077 500

經檢測該儀表指標達到了如下要求:

(1) 測量范圍:0.000 01 μF≤Cx≤0.1 μF;

(2) 測量精度:±5%;

(3) 制作4位數碼管顯示器，顯示測量數值，且能超量程顯示。

3 結 語

與傳統的電容測量儀表相比，基于單片機技術簡化了電路板的空間，提高了系統設計的可靠性，實現了測量過程的智能化[9-10]。經實際運行檢驗，儀表性能穩定可靠，測量精度高，響應速度快，且基本不受電源波動的影響，抗外界電磁干擾能力強，受周圍外界環境的影響小，因此有著廣泛的應用空間。

參考文獻

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