一種基于單片機(jī)智能電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要:在分析和比較傳統(tǒng)電容測(cè)量?jī)x表的基礎(chǔ)上，提出一種新型智能電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。儀表以MCS-51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合多諧振蕩器和多路開(kāi)關(guān)，僅用較少的外圍資源即可實(shí)現(xiàn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，可獲測(cè)量過(guò)程智能化和實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試和使用，該方法性能可靠，測(cè)量精度高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。關(guān)鍵詞:單片機(jī);智能電容測(cè)試; 多諧振蕩器;數(shù)字顯示

中圖分類(lèi)號(hào):TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)18-0028-02

Design and Realization of Intelligent Capacitance TesterBased on Single Chip Microcomuter

XU Si-cheng

(Department of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Quantity Engineering Vocation College， Pingdingshan 467002， China)

Abstract: A new scheme for design and implementation of the intelligent capacitance tester is proposed based on the analysis and comparison of traditional capacitance measuring instrument. Taking MCS-51 SCM as a control core of the instrument， the instrument was realized in combination with multichannel harmonic oscillator， multi-way switch and fewer external resources， and the measurement process intellectualization， simple structure， low cost and digital display were achieved. The system testing and application prove that the system has reliable performance， high accuracy of measurement， and achieves the desired effect of the design.Keywords: single chip micro-controller; intelligent capacitance tester; multivibrator; digital display

0 引 言

測(cè)量電容元件集中參數(shù)值的儀表種類(lèi)較多，方法也各有不同，但都有其優(yōu)缺點(diǎn)。一般的測(cè)量方法都存在計(jì)算復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，而且很難實(shí)現(xiàn)智能化的不足。該設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，首先把較難測(cè)量的電容元件參數(shù)利用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)易測(cè)量的頻率信號(hào)[1-2]，然后使用單片機(jī)計(jì)數(shù)后再運(yùn)算求出電容值，最后送數(shù)碼顯示電路，實(shí)現(xiàn)了智能化測(cè)量，避免了由指針讀數(shù)引起的誤差。

1 電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 電路設(shè)計(jì)方案及說(shuō)明

系統(tǒng)分為測(cè)量電路、通道選擇和控制電路三大部分[3]，如圖1所示。測(cè)量電路的核心是由555定時(shí)器[4]構(gòu)成的多諧振蕩器，通道選擇由集成數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)，控制通道由MCS-51[5-6]構(gòu)成。根據(jù)所選通道，通過(guò)P0.3口和P0.4口向模擬開(kāi)關(guān)發(fā)送兩位地址信號(hào)，取得振蕩頻率，然后根據(jù)所測(cè)頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。

1.2 各部分電路設(shè)計(jì)

1.2.1 電容測(cè)量電路

電容的測(cè)量采用脈沖統(tǒng)計(jì)法[7]，如圖2所示。由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電容的大小。555定時(shí)器接成多諧振蕩器的形式。該電路的振蕩周期為:

T=T1+T2=Cx(ln 2)(R+2R3)(1)

有:

fx=1/T=1Cx(ln 2)(R+2R3)(2)

所以:

Cx=1/T=1fx(ln 2)(R+2R3)(3)

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了使振蕩頻率保持在這一段單片機(jī)計(jì)數(shù)的高精度范圍內(nèi)，在選擇合適R的前提下，所測(cè)電容分為兩檔:

(1) 當(dāng)0.001 μF≤Cx≤0.1 μF，且P3.0接高電平，P3.2接低電平時(shí)，R=R1=R3=483 Ω，C3取0.01 μF。由式(2)可知，對(duì)應(yīng)頻率fx的范圍為10 kHz≤fx≤1 000 kHz，所以Cx=13fxR1ln 2。

(2) 當(dāng)0.000 01 μF≤Cx≤0.001 μF，且P3.1接高電平，P3.3接低電平時(shí)，R=R2=R3=48.3 kΩ，同樣C3取0.01 μF。由式(2)可知，對(duì)應(yīng)頻率fx的范圍為10 kHz≤fx≤1 000 kHz，所以Cx=13fxR2ln 2。

圖2 電容測(cè)試電路

1.2.2 多路選擇開(kāi)關(guān)電路

利用74LS253實(shí)現(xiàn)測(cè)量類(lèi)別的轉(zhuǎn)換，74LS253是雙四選一的模擬開(kāi)關(guān)選擇器件[4]。當(dāng)選擇了某一通道的頻率后，輸出頻率通過(guò)P3.4作為CPU定時(shí)器的時(shí)鐘源，并開(kāi)始計(jì)數(shù)(P3.5懸空)，當(dāng)計(jì)數(shù)后讀出計(jì)數(shù)器的值，除以24就得到了被測(cè)C所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的頻率，通過(guò)計(jì)算得到要被測(cè)值，如圖3所示。

圖3 選擇電路

1.2.3 數(shù)碼管顯示電路

圖4是四位LED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路。

該電路具有鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)功能的CD4511[4]作為鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)電路，筆段測(cè)試輸入LT及消隱輸入BI接高電平(無(wú)效)，鎖存輸入端LE分別接P1.7，P1.6，P1.5，P1.4。當(dāng)LE為低電平時(shí)，譯碼輸出由ABCD輸入端編碼決定;當(dāng)LE由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，鎖存輸入端ABCD的狀態(tài)，譯碼輸出也相應(yīng)地保持不變，且具有超量程顯示功能[3，8]。

圖4 四位LED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路

圖4中數(shù)碼管顯示顯示內(nèi)容如圖5所示。

圖5 內(nèi)容顯示

2 系統(tǒng)測(cè)試及整機(jī)指標(biāo)

為了檢測(cè)該儀表的整機(jī)性能，該表和DT9508B型數(shù)字萬(wàn)用表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)pF

電容(理論值)萬(wàn)用表讀數(shù)本儀表讀數(shù)

7066.767.8

400420410

850810821

5 0004 8104 870

20 00020 60020 400

80 00076 80077 500

經(jīng)檢測(cè)該儀表指標(biāo)達(dá)到了如下要求:

(1) 測(cè)量范圍:0.000 01 μF≤Cx≤0.1 μF;

(2) 測(cè)量精度:±5%;

(3) 制作4位數(shù)碼管顯示器，顯示測(cè)量數(shù)值，且能超量程顯示。

3 結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)的電容測(cè)量?jī)x表相比，基于單片機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)化了電路板的空間，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的智能化[9-10]。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，儀表性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，且基本不受電源波動(dòng)的影響，抗外界電磁干擾能力強(qiáng)，受周?chē)饨绛h(huán)境的影響小，因此有著廣泛的應(yīng)用空間。

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