51单片机做电容测量仪解析.docVIP

. PAGE . . . 第十三届“长通杯”大学生电子设计竞赛 电容测量仪（A题） 2016年5月14日 . 摘 要 电容测量仪装置是一种精度高、测试范围宽、操作简便、功能完善的电容测量仪。随着科技的不断发展，电容在电路中有着越来越多的应用，其容量大小直接决定着电路的稳定性和准确性。因此，电容值的的测量在日常使用中不可避免。 为了深入了解和学习52单片机的功能，本设计采用STC89C52和555振荡器为主要元件对电容进行测量。先将555设计为多谐振荡器产生输入脉冲信号，然后利用单片机对脉冲进行中断计数，再使用公式计算出电容值。在多谐振荡器终端加一个HD74LS08（二输入与门）稳定输出波形，从而使测量中更精确。多谐振荡器会因为连接电阻值的不同而产生的方波的频率不同，从而可以变换档位测量容量差距较大的电容。如果在工程问题中想寻找出符合要求的电容，便可通过矩阵键盘输入相应的电容值的范围，以方便筛选。当电容测定完以后，其数值通过LCD1602显示出来，以便阅读。 关键词：STC89C52单片机；电容测量；555定时器；LCD1602； 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 1系统方案 1 1.1 电容测量仪的论证与选择 1 1.2 控制系统的论证与选择 1 2系统理论分析与计算 1 2.1 设计方案的分析 1 2.1.1利用电容器放电测电容实验原理 1 2.1.2利用放电时间比率来测电容 1 2.1.3利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容 1 2.2 电容的计算 1 2.2.1 计算振荡周期 1 2.2.2 计算频率 1 2.2.3 计算Cx 1 3电路与程序设计 2 3.1电路的设计 2 3.1.1系统总体框图 2 3.1.2系统框图 2 3.1.3总程序框图 2 3.1.4电源 2 3.2程序的设计 2 3.2.1程序功能描述与设计思路 2 3.2.2程序流程图 3 4测试方案与测试结果 3 4.1测试方案 3 4.2 测试条件与仪器 3 4.3 测试结果及分析 3 4.3.1测试结果(数据) 3 4.3.2测试分析与结论 4 附录1：电路原理图 5 . 电容测量仪（A题） 1 设计方案 设计一：利用电容器放电测电容实验原理 电容器充电后，所带电量Q与两极板间电压U和电容C之间满足Q＝CU的关系。U可由直流电压表测出，Q可由电容器放电测量。使电容器通过高电阻放电，放电电流随电容器两极板间的电压下降而减少，通过测出不同时刻的放电电流值，直至I＝0，作出放电电流I随时间变化的曲线，曲线下的面积即等于电容器所带电量。由C＝Q/U可求出电容器的电容值。但此方法操作性差，很难实现其功能，故舍之。 设计二：利用放电时间比率来测电容 其测量原理是把被测电容和基准电容连接到同一电阻上，构成RC网络。通过测量两个电容放电时间的比率，就可以求出被测电容的电容值。 充电前电容的电压为0，放电时电容电压与时间的关系为： 当Vc达到Vth时 从而 由于R和Vth/E已知，可根据Tc算出C。 此方法的测量范围从pF(10-12F)到几十个nF(10-9F)，并且在寄生电容的抑制和温度稳定性方面具有极很大的优势，但此方法适用于电解电容，对于瓷片电容并不适用。 设计三：利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容 其测量原理是把被测电容和电阻串联，构成RC网络，然后可利用这个时间常数去利用多谐振荡器，调好振荡信号的波形然后开始计数脉冲值，可能的周期为T=A0×RC，A0为一个常数，可通过周期可以计算出C的值。这个可以用单片机来测，理论上可以从测的值可以为N多个，大大超过前面所讲述的。 考虑到实用性和可操作性，我们选择设计三。 利用555构成单稳态电路（如图****），待测电容是电路中的Cx，再把”OUT”口输出的信号的频率输入单片机的P1.0口，CX的一端连接单片机的P2.3口，通过公式换算得到电容值。 P3.7口接一独立按键，当其按下时，555定时器的3引脚输出方波，3脚与P1.0口相接，可通过程序测出其频率，进而求出Cx的值，并显示在LCD1602液晶屏上。 由分析可知其振荡周期为： 由单稳态电路的特性知： 使R1=R2,则： 电容测量电路如图1所示： 图1 555定时器构成单稳态的电容测量电路图 此方案从计算公式可知，只需要通过单片机处理频率信号即可得到待测电容值，对测量精度要求而言，还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。 核心元器件简介 STC89C52的介绍 STC89C52