基于單片機的電容測量電路設計仿真及實現

吳燕婷， 李自成， 何 超， 鄧成浩， 劉其東， 文嘉駿， 甘 烙， 王毅鴻

（成都理工大學工程技術學院， 四川 成都 610059）

0 引言

電容（Capacitance）亦稱作“電容量”在電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、補償、充放電、儲能、隔直流、旁路、耦合、調諧等電路中起著非常重要的作用。在設計電路時，電容的實際值大小是一個必須重視的問題，電容值偏差過大，輕則會造成電路無法工作，重則會造成器件燒毀、電器件爆炸、經濟損失甚至造成人身傷害等情況。因此有必要對電容展開相關研究。隨著計算機技術的發展，各種軟件和芯片的功能也在不斷優化和提升，為了使電容的設計更加優化，采用了Proteus、STC89C51RD+、NE555 時基芯片對電容的設計進行試驗和仿真。在這此基礎上設計了一種便捷的電容值測量方法。

1 軟件簡介

1.1 Proteus 簡介

Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具軟件。因為其擁有豐富的處理器模型（例如：8051、ARM、DSP 系列等處理器），支持多種編譯器（IAR、MATLAB 等編譯器）以及強大的單片機與外圍電路協調仿真功能，支持各種電子器件的模擬和仿真，從而廣受歡迎。

1.2 STC89C516RD+主控芯片簡介

STC89C51RD+ 系列單片機是STC 推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051 單片機，12 時鐘/機器周期和6 時鐘/ 機器周期可以任意選擇，HD 版本和90C 版本內部集成MAX810 專用復位電路。工作頻率范圍為0~40 MHz，相當于普通8051 的0~80 MHz，實際工作頻率可達48 MHz。片上集成1 280 字節或512 字節RAM。共3 個16 位定時器/計數器，其中定時器0 還可以當成2 個8 位定時器使用。具體見圖1。

圖1 STC89C51RD+系列單片機內部設置

本設計主要采用其定時器T0 進行測量工作，下面會詳細說明定時器的配置。STC89C51RD+系列單片機內部設置的兩個16 位定時器/計數器T0 和T1都具有計數方式和定時方式兩種工作方式。對每個定時器/計數器（T0 和T1），在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位-C/T 選擇T0 或T1 為定時器還是計數器。定時器/計數器的核心部件是一個加法（也有減法）的計數器，其本質是對脈沖進行計數。只是計數脈沖來源不同：如果計數脈沖來自系統時鐘，則為定時模式，此時定時器/計數器每12 個時鐘或者每6個時鐘得到一個計數脈沖，計數值加1；如果計數脈沖來自單片機外部引腳（T0 為P3.4,T1 為P3.5），則為計數模式，每來一個脈沖加1。

定時器需要的配置如圖2 所示，需要使用的是定時器T0，因此將內部總線上的ET0 以及EA 開關閉合，并設置中斷優先級。進入模式配置，將C/T 位配置為0，斷開外部中斷支路，此模式下，定時器被配置為16 位定時器，由TL0 的8 位和TH0 的8 位所構成。TL0 的8 位記錄至256 個系統脈沖后溢出至TH0，當TH0 也溢出的時（共計接收到65 536 個系統脈沖），溢出至TCON 中的溢出標準位TF0 中，當TF0 被置位為1 時，程序將依照中斷號跳轉至對應的中斷程序中，中斷程序執行完成后，在程序中清除中斷標準位TF0 的值，并重新對定時器賦初值，定時器即可重新計時。注意：中斷程序中執行的程序占用時間不宜過長，否則定時器程序將占用主程序執行時間，導致主程序無法正常運行。

圖2 定時器配置圖

定時器T0 的初始化函數如下：

1.3 NE555 時基芯片介紹

NE555 時基芯片主要由兩個比較器和一個RS觸發器構成（如圖3 所示）。左側電阻支路通過串聯3個5 kΩ 對電源電壓Vcc 進行分壓，從上往下，第一個比較器為C2，第二個比較器為C1。比較器C2 的負極接在第二個電阻上方，輸入信號為10 kΩ 電阻分壓Vcc，比較器C1 的正極接在第二個電阻下方，輸入信號為5 kΩ 電阻分壓Vcc。將NE555 時基芯片的2 腳和6 腳短接并接入至外部電容正極處，將外部電容電壓作為觸發信號。通電第一時刻，外部電容通過與之串聯的電阻進行充電，當前觸發信號低于Vcc，C1 比較器的輸入信號低于C1 正極比較電壓Vcc，C1 比較器輸出高電平到RS 觸發器的S 端，同時C2 比較器的輸入信號低于C2 負極比較電壓Vcc，C2 比較器輸出低電平至RS 觸發器的R 端，RS 觸發器輸出端Q 被置位會輸出高電平。第二時刻，外部電容被充電至Vcc 到Vcc 之間，C1 比較器輸入信號高于C1 正極比較電壓Vcc，C1 比較器輸出低電平到RS 觸發器的S 端，同時C2 比較器的輸入信號低于C2 負極比較電壓Vcc，C2 比較器輸出低電平到RS 觸發器的R 端，RS 觸發器輸出端Q 會保持當前輸出的狀態。第三時刻，外部電容被充電至Vcc以上，C1 比較器的輸入信號高于C1 正極比較電壓Vcc，C1 比較器輸出低電平到RS 觸發器的S 端，同時C2 比較器的輸入信號高于C2 負極比較電壓Vcc，C2 比較器輸出高電平到RS 觸發器的R 端，RS觸發器輸出端Q 被復位輸出低電平，RS 觸發器反向輸出端Q 非輸出高電平至NPN 型三極管的基極，使三極管導通，外部電容通過三極管回路放電，直至外部電容電壓下降至Vcc，RS 觸發器再次被置位，三極管關斷，外部電容再次通過串聯電阻充電，重復上述過程，NE555 時基芯片便實現了脈沖輸出。

圖3 NE555 時基芯片內部等效圖

2 容值測量電路工作原理

電容的決定式為：

由電容決定式可知電容大小與電容兩極板間的介質、正對面積、兩極板間的距離有關，所以說電容是電容器的固有屬性，與外加電壓無關。

RC 電路的電容充放電公式為：

式中：Vc（t）為時間為t時電容器上的電壓；Vo為電容器開始充電時的電壓，也稱為初始電壓；e為自然常數（約為2.72）；t為充電的時間，s；R為電阻的阻值，Ω；C為電容的容量，F。這個公式反應了充電過程中，電容兩端電壓隨時間變化的情況。

將該式變形可得：

由上式可知，電容充放電的時間由充放電電阻R、電容容值C以及初始電壓Vo和目標電壓Vs決定。當確定使用一個電容時，該電容的容值就是固定的，充放電電阻R的阻值、初始電壓Vo和目標電壓Vs可以由人們自行設置，于是通過合理的設計電路，通過單片機測量得到充放電時間t，便可以逆推出該電容的容值C。

綜上，基于NE555 時基芯片便設計出了該容值測量電路。該電路通過2 個10 kΩ 的電阻對待測電容進行充電，第一時刻，當待測電容兩側的電壓低于Vcc時NE555 時基芯片輸出端Q 會輸出高電平，第二時刻，當待測電容兩側的電壓大于Vcc 而小于Vcc時，NE555 時基芯片輸出端Q 會保持當前狀態輸出高電平，第三時刻，當待測電容兩側的電壓大于Vcc 時，NE555 時基芯片輸出端Q 會輸出低電平，同時NE555 時基芯片內部的三極管導通，待測電容會通過芯片7 腳和一個10 kΩ 的電阻放電，直到待測電容兩端電壓放電回落至Vcc，NE555 時基芯片輸出端Q再次輸出高電平，內部三極管停止導通，待測電容將再次開始通過兩個10 kΩ 電阻充電，此后待測電容將不斷的重復在Vcc 和Vcc 之間充放電的過程，而NE555 時基芯片也會不斷的重復輸出高低電平的過程。

后續通過單片機檢測NE555 時基芯片引腳的脈沖信號并對其計數，再通過單片機定時器設置采樣周期，這樣就可以得到預設時間內測量得到的脈沖個數，推出單次脈沖周期T=預設時間/脈沖個數，又因為待測電容通過20 kΩ 電阻充電，10 kΩ 電阻放電，由電容充放電公式，可推得電容充電時間t占單次脈沖周期T的。此時，已測量得電容充電時間t、充電電阻R=20 kΩ、充電初始電壓Vo=Vcc、充電目標電壓Vs=Vcc，對電容充放電公式帶值計算就能求出待測電容的容值大小。

表1 Proteus 仿真結果 單位：μF

3 硬件調試

將電路模型按照原理圖接好后，把待測電容正極接到NE555 時基芯片2、6 腳短接處（在實際調試時，分別使用了標定電容值470 μF、220 μF、100 μF、47 μF的電容），負極接地。

將設備通電。具體見圖4、圖5。

圖4 實物圖

圖5 實物原理圖

將設備通電，等待短暫時間后，定時器的值開始發生變化（即定時器忽略第一個高電平后，開始工作），等待20 s 后，左下角將顯示測得容值，右上角顯示20 s 內共測得脈沖個數。取標定電容值不同的電容作為待測電容，先使用金屬導體將待測電容正負極短接放電，確保其初始電壓為0，而后分別對其進行測試，測得如表2 所示。

表2 實物測量結果表 單位：μF

在對標定電容值為100 μF的電容時測得電容值偏差過大，于是對該電容使用了別的精確測量方法，測得該電容的實際容值為81 μF。因為單片機讀取引腳電平變化需要一定時間，所以當電容容值較低時（即脈沖頻率較大時），單片機無法準確的讀取脈沖個數，該測量方式失效。經過多次測試，此電路的測量范圍為33~470 μF。

4 結語

本文提出一種對電容容值進行測量的技術方案，該方案采用STC89C516RD+處理器作為主控芯片，通過設定單位時間采集脈沖信號后通過數學運算測得電容容值。經反復調試，該產品性能良好，使用便捷，能較為準確的測出容值，有效的解決了相關場景下容值測量的問題。對于超出測量范圍的電容，可以采用串并聯已知容值大小的電容進行測量，但同時需注意串并聯后電流以及耐壓值的大小。