基于脉冲计数法的电容测量仪的设计

李　烨，张　平

（江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，江苏　镇江　212016）



基于脉冲计数法的电容测量仪的设计

李烨，张平

（江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，江苏镇江212016）

摘要：文章采用555定时器与待测电容相连构成矩形波振荡器，通过AT89S51单片机对矩形波频率进行计算求得待测电容值，采用74LS153进行量程转换控制并采用LCD1602显示测量结果。

关键词：电容测量；555定时器；AT89S51；74LS153

在电子线路的设计研究中，电容值通常是电路的重要参数。对电容值进行测量大多采用如电桥平衡法、谐振频率测量法或脉冲宽度测量法等，这些方法通常电路复杂、灵活性差、测量精度低。采用“脉冲计数法”设计电容测量仪，将相关参数转化为频率，采用单片机对电路的频率进行计数，通过计算求得电容值并显示出来。这样的设计具有电路简单、操作方便、测量精度高、显示直观等优点，使得电路更加智能化。

1　原理分析

系统采用555定时器和RC积分电路构成矩形波振荡器，并采用单片机实现运算、显示和控制功能。设计思路：当被测电容接入电路，矩形波振荡器即产生一个振荡信号，将该信号的频率送入单片机，通过“脉冲计数法”对频率进行运算，同时求出被测电容值，最终将电容值在显示模块上显示出来。系统设计框图如图1所示。

图1　系统设计框图

2　硬件设计

2.1555定时器和RC积分电路

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路。由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，故能保证检测结果的准确性。电容测量电路如图2所示，将RC积分电路接入555定时器构成矩形波振荡器，其中Cx为被测电容。接通电源后，电源VCC通过R1和R2对C2和CX充电，A点电位VA上升。当VA上升到时，由于555芯片内部放电三极管导通，3脚的输出电压Vo为低电平。充电完成后，C2和CX通过R2和555芯片内部放电三极管放电，此时VA下降。当VA下降到时，3脚的输出电压Vo再次翻转为高电平。如此反复，在电路的输出端得到一个周期性的多谐波。电路的电压波形如图3所示。555定时器输出的矩形波需送入单片机进行处理，因此在输出端加接双向限幅二极管，使得输出电压不超过±4.3V。

图2　电容测量电路

图3　电路的电压波形图

2.2信号处理

系统采用AT89S51单片机作为主控制器。AT89S51是一款低功耗，高性能的8位可在线编程的CMOS型单片机，它带有2 个16位定时器/计数器，单片机既可以用于简单的测控系统，又可以用于复杂的逻辑控制，而且应用系统组成灵活、方便、性能稳定。将单片机的T0设置为计数方式、T1设置为定时方式。将电容测量电路输出的矩形波送到单片机的P3.4（第14脚），在T1定时的1s时间内，T0对脉冲进行计数，通过计算单位定时时间内的脉冲个数得到脉冲的频率，代入式1计算得到待测电容值。电路如图4所示。

图4　单片机控制电路

2.3多路选择开关电路

为了精确测量电容值，系统采用数据选择器74LS153进行量程转换控制，其引脚排列如图5所示。74LS153为双4选1数据选择器，即在一块集成芯片上有2个4选1数据选择器。1G和2G为2个数据选择器的使能端；B和A为公用的地址输入端；1C0-1C3和2C0-2C3分别为2个4选1数据选择器的数据输入端；Y1和Y2为2个输出端。当使能端1G（2G）为高电平时，多路开关被禁止，此时无数据输出，Y=0。当使能端1G（2G）为低电平时，多路开关正常工作，根据地址码B和A的状态，对应选择C0-C3中的某位数据送到输出端Y。74LS153数据选择真值表如表1所示。在电路中，1C0-1C3依次接式2-5中R1和R2的组合，B和A分别接单片机P0.7和P0.6，由用户通过按钮进行控制。用户根据不同的电容量选择合适的量程，每按一次按钮即进行一次数据选择输出，由此实现改变量程的操作。

表1　74LS153数据选择真值表

图5　74LS153引脚图

2.4显示模块

显示模块采用液晶LCD1602。D0-D7为8位双向数据口，与单片机的P2.0-P2.7相连用于数据传输。LCD1602的2脚和1脚接电源，3脚接一50kΩ可调电阻的滑动端，通过调节滑动电阻值实现液晶对比度的调节。LCD1602的控制引脚RS、R/W、E分别接单片机的P0.3，P0.4，P0.5；15脚和16脚为背光控制电源引脚。

3　软件设计

系统程序采用C语言编程。程序包括主程序模块、电容测试模块和显示模块。软件设计主要包括3个方面：一是初始化系统；二是按键检测；三是数据采集、数据处理并进行显示。程序采用模块化的结构，程序结构清楚，便于调试和修改。系统主程序流程如图6所示，测量程序流程见图7所示。

图6　出程序流程

图7　测量程序流程

4　结语

本设计采用555定时器产生矩形波脉冲，通过对矩形波脉冲频率的计算求得待测电容值，并采用LCD1602将测量结果直观地显示出来。信号的处理采用AT89S51单片机进行控制，使得系统性能稳定可靠，响应速度快。通过对系统的调试检测，各电容测量值如表2所示。由数据可以看出系统测量精度高，因此具有广泛的应用空间。

表2　部分电容测试数据

［参考文献］

［1］张玉芹，洪远泉.数字式电容测量仪设计［J］.廊坊师范学院学报：自然科学版，2011（3）：52.

［2］阎石.数字电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］谢冬莹，芦庆，蒋超.基于单片机实现测量电容方法研究［J］.仪表技术，2009（11）：43.

［4］何富运，罗晓曙.数字式电感电容测量仪的设计［J］.现代电子技术，2008（285）：21.

［5］兰羽.基于555定时器的电容测试仪设计［J］.自动化技术与应用，2013（5）：45.

［6］徐思成.一种基于单片机智能电容测试仪的设计与实现［J］.现代电子技术，2010（18）：29.

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

作者简介：李烨（1975-），男，江苏镇江，硕士，副教授；研究方向：电路与系统。