基于脈沖計數法的電容測量儀的設計

李　燁，張　平

（江蘇聯合職業技術學院鎮江分院 機電工程系，江蘇　鎮江　212016）

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基于脈沖計數法的電容測量儀的設計

李燁，張平

（江蘇聯合職業技術學院鎮江分院 機電工程系，江蘇鎮江212016）

摘要：文章采用555定時器與待測電容相連構成矩形波振蕩器，通過AT89S51單片機對矩形波頻率進行計算求得待測電容值，采用74LS153進行量程轉換控制并采用LCD1602顯示測量結果。

關鍵詞：電容測量；555定時器；AT89S51；74LS153

在電子線路的設計研究中，電容值通常是電路的重要參數。對電容值進行測量大多采用如電橋平衡法、諧振頻率測量法或脈沖寬度測量法等，這些方法通常電路復雜、靈活性差、測量精度低。采用“脈沖計數法”設計電容測量儀，將相關參數轉化為頻率，采用單片機對電路的頻率進行計數，通過計算求得電容值并顯示出來。這樣的設計具有電路簡單、操作方便、測量精度高、顯示直觀等優點，使得電路更加智能化。

1　原理分析

系統采用555定時器和RC積分電路構成矩形波振蕩器，并采用單片機實現運算、顯示和控制功能。設計思路：當被測電容接入電路，矩形波振蕩器即產生一個振蕩信號，將該信號的頻率送入單片機，通過“脈沖計數法”對頻率進行運算，同時求出被測電容值，最終將電容值在顯示模塊上顯示出來。系統設計框圖如圖1所示。

圖1　系統設計框圖

2　硬件設計

2.1555定時器和RC積分電路

555定時器是一種多用途的數字-模擬混合集成電路。由于555內部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小，故能保證檢測結果的準確性。電容測量電路如圖2所示，將RC積分電路接入555定時器構成矩形波振蕩器，其中Cx為被測電容。接通電源后，電源VCC通過R1和R2對C2和CX充電，A點電位VA上升。當VA上升到時，由于555芯片內部放電三極管導通，3腳的輸出電壓Vo為低電平。充電完成后，C2和CX通過R2和555芯片內部放電三極管放電，此時VA下降。當VA下降到時，3腳的輸出電壓Vo再次翻轉為高電平。如此反復，在電路的輸出端得到一個周期性的多諧波。電路的電壓波形如圖3所示。555定時器輸出的矩形波需送入單片機進行處理，因此在輸出端加接雙向限幅二極管，使得輸出電壓不超過±4.3V。

圖2　電容測量電路

圖3　電路的電壓波形圖

2.2信號處理

系統采用AT89S51單片機作為主控制器。AT89S51是一款低功耗，高性能的8位可在線編程的CMOS型單片機，它帶有2 個16位定時器/計數器，單片機既可以用于簡單的測控系統，又可以用于復雜的邏輯控制，而且應用系統組成靈活、方便、性能穩定。將單片機的T0設置為計數方式、T1設置為定時方式。將電容測量電路輸出的矩形波送到單片機的P3.4（第14腳），在T1定時的1s時間內，T0對脈沖進行計數，通過計算單位定時時間內的脈沖個數得到脈沖的頻率，代入式1計算得到待測電容值。電路如圖4所示。

圖4　單片機控制電路

2.3多路選擇開關電路

為了精確測量電容值，系統采用數據選擇器74LS153進行量程轉換控制，其引腳排列如圖5所示。74LS153為雙4選1數據選擇器，即在一塊集成芯片上有2個4選1數據選擇器。1G和2G為2個數據選擇器的使能端；B和A為公用的地址輸入端；1C0-1C3和2C0-2C3分別為2個4選1數據選擇器的數據輸入端；Y1和Y2為2個輸出端。當使能端1G（2G）為高電平時，多路開關被禁止，此時無數據輸出，Y=0。當使能端1G（2G）為低電平時，多路開關正常工作，根據地址碼B和A的狀態，對應選擇C0-C3中的某位數據送到輸出端Y。74LS153數據選擇真值表如表1所示。在電路中，1C0-1C3依次接式2-5中R1和R2的組合，B和A分別接單片機P0.7和P0.6，由用戶通過按鈕進行控制。用戶根據不同的電容量選擇合適的量程，每按一次按鈕即進行一次數據選擇輸出，由此實現改變量程的操作。

表1　74LS153數據選擇真值表

圖5　74LS153引腳圖

2.4顯示模塊

顯示模塊采用液晶LCD1602。D0-D7為8位雙向數據口，與單片機的P2.0-P2.7相連用于數據傳輸。LCD1602的2腳和1腳接電源，3腳接一50kΩ可調電阻的滑動端，通過調節滑動電阻值實現液晶對比度的調節。LCD1602的控制引腳RS、R/W、E分別接單片機的P0.3，P0.4，P0.5；15腳和16腳為背光控制電源引腳。

3　軟件設計

系統程序采用C語言編程。程序包括主程序模塊、電容測試模塊和顯示模塊。軟件設計主要包括3個方面：一是初始化系統；二是按鍵檢測；三是數據采集、數據處理并進行顯示。程序采用模塊化的結構，程序結構清楚，便于調試和修改。系統主程序流程如圖6所示，測量程序流程見圖7所示。

圖6　出程序流程

圖7　測量程序流程

4　結語

本設計采用555定時器產生矩形波脈沖，通過對矩形波脈沖頻率的計算求得待測電容值，并采用LCD1602將測量結果直觀地顯示出來。信號的處理采用AT89S51單片機進行控制，使得系統性能穩定可靠，響應速度快。通過對系統的調試檢測，各電容測量值如表2所示。由數據可以看出系統測量精度高，因此具有廣泛的應用空間。

表2　部分電容測試數據

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Design of Capacitance Measuring Instrument Based on Pulse Counting Method

Li Ye, Zhang Ping
（Electromechanical Engineering Department，Zhenjiang Branch of Jiangsu Union Technical Institute， Zhenjiang212016， China）

Abstract：In this design， the 555 timer and the capacitance of the capacitor are connected to the rectangular wave oscillator. The AT89S51 microcontroller is used to calculate the capacitance value. The 74LS153 is used to measure the range conversion control and the LCD1602 is used to display the measurement results.

Key words：capacitance measurement； 555 timer； AT89S51； 74LS153

作者簡介：李燁（1975-），男，江蘇鎮江，碩士，副教授；研究方向：電路與系統。