单片机做电容测量仪解析

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

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；

1 系统方案................................. 错.. 误!未指定书签

1.1 电容测量仪的论证与选择.............. 错误!未指定书签

1.2 控制系统的论证与选择................ 错误!未指定书签。

2 系统理论分析与计算....................... 错. 误! 未指定书签。

2.1 设计方案的分析...................... 错. 误!未指定书签。

2.1.1 利用电容器放电测电容实验原理.......... 错误!未指定书签。

2.1.2 利用放电时间比率来测电容.............. 错误!未指定书签。

2.1.3利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容错误!未指定书签。

2 . 2电容的计算......................... 错. 误!未指定书签。

2.2.1 计算振荡周期................... 错. 误!未指定书签

2.2.2计算频率....................... 错. 误!未指定书签

2.2.3计算Cx ........................................... 错. 误!未指定书签

3 电路与程序设计 ........................... 错. 误!未指定书签

3.1 电路的设计.......................... 错. 误!未指定书签

3.1.1 系统总体框图 .......... 错. 误!未指定书签

3.1.2系统框图........................................... 错. 误!未指定书签

3.1.3总程序框图..................... 错. 误!未指定书签

3.1.4电源............................ 错. 误!未指定书签

3.2程序的设计........................... 错. 误!未指定书签

3.2.1 程序功能描述与设计思路......... 错误!未指定书签

3.2.2 程序流程图 .................... 错. 误!未指定书签

4 测试方案与测试结果....................... 错. 误!未指定书签

4.1测试方案............................ 错. 误!未指定书签

4.2 测试条件与仪器...................... 错. 误!未指定书签

4.3 测试结果及分析...................... 错. 误!未指定书签

4.3.1 测试结果（数据） ......................... 错误!未指定书签

4.3.2 测试分析与结论 ................ 错误!未指定书签附录1：电路原理图......................... 错. 误!未指定书签

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 1 = 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 o

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=A0X 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C x，再把”OUT”口输出的信号的频率输入单片机的P1.0 口，C X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C x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R l=R2,则：

电容测量电路如图1所示：

图1555 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