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1、基于单片机的电容测量仪设计摘要：本设计详细介绍了一种基于单片机的数字式电容测量仪设计方案与实现方法。设计的主要方法是由LM393组成的LC 振荡器，由单片机测量LC 振荡回路的频率, 根据已知的电容值，通过单片机的运算功能，计算出电容容量，最后，再通过单片机的普通I/O口控制液晶屏显示出电容容量的计算结果。系统的测量围为1pF12000F, 具有多个量程，可根据用户需要由用户选择，与用户的交互是通过按键实现，不同量程的实现是通过开关的闭合与断开来选择不同的R值，从而实现不同的量程，系统具有一定的实用价值。关键词：电容；LM393；LC振荡；单片机；LCDDesign of capacitanc
2、e measuring instrument based on single chip microcomputerAbstract:This design introduces a design scheme of digital capacitance measuring instrument based on MCU and the realization method. The design method of the LC oscillator is composed by LM393, measured by single chip microcomputer LC oscillat
3、ing circuit frequency, according to the known capacitance value, through the single-chip computing function, calculate capacity, finally, through the microcontroller I/O port control LCD screen shows the calculation results of the electrical capacitance. The measurement range of 1pF12000 F, having a
4、 plurality of range, according to user needs can be selected by the user, the interaction with the user is achieved through the key, to achieve different range is through the on-off of the open selection of different R value, so as to achieve different range,System has certain practical value.Keywor
5、ds:capacitance; LM393; LC shocks; MCU; LCD目 录1前言11.1电容测试仪的发展历史与现状11.2电容测量手段22系统方案设计32.1设计要求32.2方案论证33 硬件设计73.1电容原理73.1.1电容测量原理73.1.2电容测量电路83.2 单片机最小系统93.3按键电路103.4 显示电路114 软件设计135系统测试135.1 测量小电容145.2 测量电解电容165.3 测量结果175.4 误差分析186 结束语18参考文献19附 录 A21附 录 B22附 录 C23 辞.27 / 1前言1.1电容测试仪的发展历史与现状当今电子测试领域，电容
6、的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。电容通常以传感器形式出现，因此，电容测量技术的发展归根结底就是电容传感器的发展。由最初的用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器。最初的电容传感器有变面积型，变介质介电常数型和变极板间型。现在的电容式传感器越做越先进，现在用的比较多的有容栅式电容传感器，瓷电容压力传感器等。电容测量技术发展也很快现在的电容测量技术也由单一化发展为多元化。现在国外做传感器的厂商也比较多,在世界围做电容传感器做的比较好的公司有：日本figaro、德国tecsis、美国alphasense。中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈。尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地
7、说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。每当提起中国测试仪器落后的原因，就会有许多不同的说法，诸如精度不高，外观不好，可靠性差等。实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为：1.测试在整个产品流程中的地位偏低。由于人们的传统观念的影响，在产品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而测试则处于从属和辅助位置。关于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即可窥其一斑。这种错误观念上的原因，造成整个社会对测试的重视度不够，从而造成测试仪器方面人才的严重匮乏，造成相关的基础科学研究比较薄弱，这是中国测量仪器发展的一个主要瓶颈。实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视度以与对仪器本身的研究也
8、明显不够。2.面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立起来。本土仪器设备厂商只是重研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式。传统的营销模式在计划经济年代里发挥过很大作用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。所以，为了快速缩小与国外先进公司之间的差距，国仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向应用的研发的过渡。特别是随着国应用需求的快速增长，为这一过渡提供了根本动力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。3.缺乏标准件的材料配套体系。由于历史的原因，中国仪器配套行业的企业多为良莠不齐的小型企业，标准化的研究也没有跟上需求的快速发展，从而导
9、致仪器的材料配套行业的技术水平较低。虽然目前已有较大的改观，但距离整个产业的要求还有一定距离，所以，还应把标准化和模块化的研究放到重要的位置。还有，在技术水平没有达到的条件下，一味地追求精度或追求高指标，而没有处理好与稳定性之间的关系。上述这些都是制约本土仪器发展的因素。近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测
10、试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以与中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。1.2电容测量手段电容器作为非常重要的一个电学元件在现代电子技术中有着非常广泛的用途，电容定义为：电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，即：。这种原始的方法必须通过测量两个物理量来计算电容的大小，而其中的Q是比较难以测量的量。目前常用的两种测量电容的实现方法：一是
11、利用多谐震荡产生脉冲宽度与电容值成正比信号，通过低通滤波后测量输出电压实现；二是利用单稳态触发装置产生与电容值成正比门脉冲来控制通过计数器的标准计数脉冲的通断，即直接根据充放电时间判断电容值。利用多谐震荡原理测量电容的方案硬件设计比较简单，但是软件实现相对比较复杂，而直接根据充放电时间判断电容值的方案虽然基本上没有用到软件部分，但是硬件却又十分的复杂。而且他们都无法直观的把测量的电容值大小显示出来。根据上面两种方案的优缺点，本次设计提出了硬件设计和软件设计都相对比较简单的方案：基于STC89C52单片机和由LM393芯片组成的LC 振荡器的数显式电容测量。该方案主要去是根据LM393芯片的应用
12、特点，把电容的大小转变成LM393输出频率的大小，进而可以通过单片机测量LC 振荡回路的频率。本方案的精度较高，硬件设计和软件设计也相对简单。2系统方案设计2.1设计要求1、测量围：10pF99.9F；测量误差：5.0%（以实验室标准电容或电容表为准）。 2、设置量程选择：0.01F、0.1F、1F、10F、100F。 3、显示器：十进制数字显示，对测量量程分别用发光二极管指示。 4、设置自校准功能。 5、自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。2.2方案论证本次设计中考虑了三种设计方案，三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同，对于本设计三种方案均能够实现，最后根据设计要求、可
13、行性和设计成本的考虑选择了基于STC89C52单片机和LM393芯片构成的LC 振荡器电路的测量的方案。现在一一介绍论证如下：方案一：利用多谐振荡原理测量电容测量原理如下图所示。电容C电阻R和555芯片构成一个多谐振荡电路。在电源刚接通时(K合上)，电容C上的电压为零，多谐振荡器输出为高电平通过R对电容C充电。当C上冲得的电压= 时，施密特触发器翻转，变为低电平，C又通过R放电，下降。当= 时施密特触发器又翻转，输出又变为高电平，如此往复产生震荡波形。由理论分析可知：令则有式和测得的校准值测量值与存放的软件中的标准电容值C可得出待测电容值。实际应用中也可以通过测量和来算出图1 电容测量原理图图
14、2 振荡波形图测量误差分析：由式(6)可以看出，经过软件校准后得出的结果与的值有关。这样单片机晶振频率的绝对精度，环境温度的变化和电源电压的绝对精度引起的误差被消除。测量结果主要受标准电容的绝对精度影响，因此应该选择精度高、稳定性好的；其他误差来源包括周期测量的量化误差，除法运算产生的余数误差，电源电压的波动造成谐振频率偏移带来的误差，因此电路要用稳压性能好的稳压电源。这种方法的利用了一个参考的电容实现，虽然硬件结构简单，软件实现却相对比较复杂。 方案二、直接根据充放电时间判断电容值：这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性，放电常数，通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。一般
15、情况下，可设计电路使( T为振荡周期或触发时间；A为电路常数与电路参数有关)。这种方法中应用了555芯片组成的单稳态触发器，在秒脉冲的作用下产生触发脉冲，来控制门电路实现计数，从而确定脉冲时间，通过设计合理的电路参数，使计数值与被测电容相对应。其原理框图如图3所示。反向器单稳态触发器显示窄脉冲触发器秒脉冲发生器译码器锁存器记数器标准记数脉冲图3 电路原理框图误差分析：这种电容测量方法的误差主要由两部分组成：一部分是由555芯片构成的振荡电路和触发电路由于非线性造成的误差，其中最重要的是单稳态触发电路的非线性误差，(T由充放电时间决定，是被测电容值)；另一部分是由数字电路的量化误差引起，是数字电路特有的误差该误差相对影响较小，可忽略不计。这种方法硬件结构相对复杂，实际上是通过牺牲硬件部分来减轻软件部分的负担，但在具体设计中会碰到很大问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大。 方案三、基于STC89C52单片机和LM393芯片构成的LC 振荡器电
