基于脈沖計(jì)數(shù)法的電容測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

李　燁，張　平

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機(jī)電工程系，江蘇　鎮(zhèn)江　212016）

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基于脈沖計(jì)數(shù)法的電容測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

李燁，張平

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機(jī)電工程系，江蘇鎮(zhèn)江212016）

摘要：文章采用555定時(shí)器與待測(cè)電容相連構(gòu)成矩形波振蕩器，通過(guò)AT89S51單片機(jī)對(duì)矩形波頻率進(jìn)行計(jì)算求得待測(cè)電容值，采用74LS153進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換控制并采用LCD1602顯示測(cè)量結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電容測(cè)量；555定時(shí)器；AT89S51；74LS153

在電子線(xiàn)路的設(shè)計(jì)研究中，電容值通常是電路的重要參數(shù)。對(duì)電容值進(jìn)行測(cè)量大多采用如電橋平衡法、諧振頻率測(cè)量法或脈沖寬度測(cè)量法等，這些方法通常電路復(fù)雜、靈活性差、測(cè)量精度低。采用“脈沖計(jì)數(shù)法”設(shè)計(jì)電容測(cè)量?jī)x，將相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，采用單片機(jī)對(duì)電路的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算求得電容值并顯示出來(lái)。這樣的設(shè)計(jì)具有電路簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量精度高、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，使得電路更加智能化。

1　原理分析

系統(tǒng)采用555定時(shí)器和RC積分電路構(gòu)成矩形波振蕩器，并采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、顯示和控制功能。設(shè)計(jì)思路：當(dāng)被測(cè)電容接入電路，矩形波振蕩器即產(chǎn)生一個(gè)振蕩信號(hào)，將該信號(hào)的頻率送入單片機(jī)，通過(guò)“脈沖計(jì)數(shù)法”對(duì)頻率進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)求出被測(cè)電容值，最終將電容值在顯示模塊上顯示出來(lái)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1555定時(shí)器和RC積分電路

555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路。由于555內(nèi)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。電容測(cè)量電路如圖2所示，將RC積分電路接入555定時(shí)器構(gòu)成矩形波振蕩器，其中Cx為被測(cè)電容。接通電源后，電源VCC通過(guò)R1和R2對(duì)C2和CX充電，A點(diǎn)電位VA上升。當(dāng)VA上升到時(shí)，由于555芯片內(nèi)部放電三極管導(dǎo)通，3腳的輸出電壓Vo為低電平。充電完成后，C2和CX通過(guò)R2和555芯片內(nèi)部放電三極管放電，此時(shí)VA下降。當(dāng)VA下降到時(shí)，3腳的輸出電壓Vo再次翻轉(zhuǎn)為高電平。如此反復(fù)，在電路的輸出端得到一個(gè)周期性的多諧波。電路的電壓波形如圖3所示。555定時(shí)器輸出的矩形波需送入單片機(jī)進(jìn)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(guò)±4.3V。

圖2　電容測(cè)量電路

圖3　電路的電壓波形圖

2.2信號(hào)處理

系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器。AT89S51是一款低功耗，高性能的8位可在線(xiàn)編程的CMOS型單片機(jī)，它帶有2 個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，單片機(jī)既可以用于簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，又可以用于復(fù)雜的邏輯控制，而且應(yīng)用系統(tǒng)組成靈活、方便、性能穩(wěn)定。將單片機(jī)的T0設(shè)置為計(jì)數(shù)方式、T1設(shè)置為定時(shí)方式。將電容測(cè)量電路輸出的矩形波送到單片機(jī)的P3.4（第14腳），在T1定時(shí)的1s時(shí)間內(nèi)，T0對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算單位定時(shí)時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)得到脈沖的頻率，代入式1計(jì)算得到待測(cè)電容值。電路如圖4所示。

圖4　單片機(jī)控制電路

2.3多路選擇開(kāi)關(guān)電路

為了精確測(cè)量電容值，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)選擇器74LS153進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換控制，其引腳排列如圖5所示。74LS153為雙4選1數(shù)據(jù)選擇器，即在一塊集成芯片上有2個(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器。1G和2G為2個(gè)數(shù)據(jù)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(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端；Y1和Y2為2個(gè)輸出端。當(dāng)使能端1G（2G）為高電平時(shí)，多路開(kāi)關(guān)被禁止，此時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)輸出，Y=0。當(dāng)使能端1G（2G）為低電平時(shí)，多路開(kāi)關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼B和A的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)選擇C0-C3中的某位數(shù)據(jù)送到輸出端Y。74LS153數(shù)據(jù)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(jī)P0.7和P0.6，由用戶(hù)通過(guò)按鈕進(jìn)行控制。用戶(hù)根據(jù)不同的電容量選擇合適的量程，每按一次按鈕即進(jìn)行一次數(shù)據(jù)選擇輸出，由此實(shí)現(xiàn)改變量程的操作。

表1　74LS153數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)口，與單片機(jī)的P2.0-P2.7相連用于數(shù)據(jù)傳輸。LCD1602的2腳和1腳接電源，3腳接一50kΩ可調(diào)電阻的滑動(dòng)端，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻值實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié)。LCD1602的控制引腳RS、R/W、E分別接單片機(jī)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言編程。程序包括主程序模塊、電容測(cè)試模塊和顯示模塊。軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)方面：一是初始化系統(tǒng)；二是按鍵檢測(cè)；三是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行顯示。程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，程序結(jié)構(gòu)清楚，便于調(diào)試和修改。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示，測(cè)量程序流程見(jiàn)圖7所示。

圖6　出程序流程

圖7　測(cè)量程序流程

4　結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用555定時(shí)器產(chǎn)生矩形波脈沖，通過(guò)對(duì)矩形波脈沖頻率的計(jì)算求得待測(cè)電容值，并采用LCD1602將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。信號(hào)的處理采用AT89S51單片機(jī)進(jìn)行控制，使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試檢測(cè)，各電容測(cè)量值如表2所示。由數(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)測(cè)量精度高，因此具有廣泛的應(yīng)用空間。

表2　部分電容測(cè)試數(shù)據(jù)

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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(jiǎn)介：李燁（1975-），男，江蘇鎮(zhèn)江，碩士，副教授；研究方向：電路與系統(tǒng)。