1 引言

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小［1］。因此，一種簡單、實(shí)用的電容測試工具在實(shí)際中具有一定的實(shí)用價(jià)值。一般元件參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率后再進(jìn)行測量［2］，本設(shè)計(jì)采用555為核心的振蕩電路，將被測電容值轉(zhuǎn)化為頻率，并利用AT89S51處理器測量出頻率，再通過該頻率值計(jì)算出電容參數(shù)值。

2 系統(tǒng)的原理框圖

系統(tǒng)主要采用了555定時(shí)器構(gòu)成的RC振蕩電路和單片機(jī)技術(shù)。設(shè)計(jì)思路：被測電容C通過RC振蕩轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f，送入單片機(jī)測頻，對該頻率進(jìn)行運(yùn)算處理求出被測電容的值，并送顯示器顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要由測量電路和控制電路兩部分組成。當(dāng)接入被測電容后，由555定時(shí)器構(gòu)成RC振蕩器產(chǎn)生方波信號(hào)，把此信號(hào)通過接口傳到AT89C51單片機(jī)I/O口上，對此方波信號(hào)進(jìn)行測頻，通過軟件編程，計(jì)算出得到被測電容值，由LCD1602液晶顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 555振蕩電路的設(shè)計(jì)

由555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路如圖2，CX為被測電容，接通電源后，CX被充電，A點(diǎn)電壓UA上升。當(dāng)UA上升到時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)555芯片內(nèi)部放電三極管導(dǎo)通，此時(shí)U0為低電平。CX通過R2和放電三極管放電，使UA下降。當(dāng)UA下降到時(shí)，觸發(fā)器又被置位，U0翻轉(zhuǎn)為高電平［3］。CX放電所需的時(shí)間為：

圖2 555構(gòu)成的RC振蕩電路

由上式可知，當(dāng)電路設(shè)計(jì)完成后，振蕩器輸出f隨CX的變化而改變。改變R1、R2的值即可改變系統(tǒng)量程。系統(tǒng)量程分為四檔：（1）R1+2R2=470KΩ時(shí)，測1.0nF-10.0nF的電容值。（2）R1+2R2=47KΩ時(shí)，測10.0nF~100.0nF的電容（3）R1+2R2=4.7KΩ時(shí)，測100.0nF~1000.0nF的電容。（4）R1+2R2=470Ω時(shí)，測1.0μF~10.0μF的電容。圖3為R1+2R2=470KΩ時(shí)，測量電容為2μF振蕩輸出輸出波形。

圖3 振蕩電路輸出的頻率信號(hào)

3.2 信號(hào)處理及顯示電路

信號(hào)處理電路部分采用單片機(jī)AT89S51作為系統(tǒng)的主控制器。AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外加電源及單片機(jī)構(gòu)成［4］，其硬件電路如圖4所示。555振蕩電路輸出的是脈沖波，接到AT89S51處理器的輸入引腳P3.5，通過AT89S51內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器T0、T1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，構(gòu)成一個(gè)數(shù)字式頻率測量系統(tǒng)，測出頻率后按（5）式運(yùn)算處理后得到被測電容值。

圖4 單片機(jī)控制顯示模塊

顯示模塊LCD1602液晶第1、2腳接驅(qū)動(dòng)電源;第三腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個(gè)10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對比度的調(diào)節(jié);液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7;D0~D7為LCD1602液晶模塊的8位雙向數(shù)據(jù)口，分別與STC89C52RC單片機(jī)的P1.0~P1.7相連，用于傳輸數(shù)據(jù)。接在單片機(jī)的P0口;BL+、BL-為液晶背光電源［5］［6］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)軟件環(huán)境以Keil4.0為仿真平臺(tái)，使用C語言編程編寫了運(yùn)行程序;包括主程序模塊、顯示模塊和電容測試模塊。軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：一是初始化系統(tǒng);二是按鍵檢測;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)，這樣便于調(diào)試和修改，易編程和易讀性好，也程序結(jié)構(gòu)清楚［7］。系統(tǒng)程序流程如圖6所示，首先對P3.5口脈沖信號(hào)頻率的測量，再通過（5）式算出所測的電容值，由LCD1602顯示出來。

5 系統(tǒng)的測試

表1 電容測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的電容測試儀硬件采用555定時(shí)器作為信號(hào)采集模塊、AT89S51單片機(jī)作為信號(hào)處理器模塊，軟件采用Keil4.0為仿真平臺(tái)，使用C語言編程編寫了運(yùn)行程序。其具有性能穩(wěn)定、精度高、操作簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測試表明：其可以測試1.0nF-10.0uF范圍的電容，誤差小于0.5%。誤差產(chǎn)生主要原因與電路元件參數(shù)、測試環(huán)境、測試方法等因素有關(guān)。