一种基于单片机智能电容测试仪的设计与实现

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摘 要:在分析和比较传统电容测量仪表的基础上,提出一种新型智能电容测试仪的设计及实现方案。仪表以MCS-51单片机为控制核心,结合多谐振荡器和多路开关,仅用较少的资源即可实现,且结构简单,成本低廉,可获测量过程智能化和实现数字显示。经系统测试和使用,该方法性能可靠,测量精度高,弥补了传统测量方法的不足,达到了预期的设计效果。关键词:单片机;智能电容测试; 多谐振荡器;数字显示

中图分类号:TN710-34文献标识码:A

文章编号: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

测量电容元件集中参数值的仪表种类较多,方法也各有不同,但都有其优缺点。一般的测量方法都存在计算复杂,不易实现自动测量,而且很难实现智能化的不足。该设计打破了传统的设计模式,首先把较难测量的电容元件参数利用555定时器构成的多谐振荡器转换成简易测量的频率信号[1-2],然后使用单片机计数后再运算求出电容值,最后送数码显示电路,实现了智能化测量,避免了由指针读数引起的误差。

1 电路的设计与实现

1.1 电路设计方案及说明

系统分为测量电路、通道选择和控制电路三大部分[3],如图1所示。测量电路的核心是由555定时器[4]构成的多谐振荡器,通道选择由集成数据选择器实现,控制通道由MCS-51[5-6]构成。根据所选通道,通过P0.3口和P0.4口向模拟开关发送两位地址信号,取得振荡频率,然后根据所测频率判断是否转换量程,或者是把数据进行处理后,得出相应的参数值。

1.2 各部分电路设计

1.2.1 电容测量电路

电容的测量采用脉冲统计法[7],如图2所示。由555电路构成的多谐振荡电路,通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。555定时器接成多谐振荡器的形式。该电路的振荡周期为:

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)

图1 系统硬件设计

为了使振荡频率保持在这一段单片机计数的高精度范围内,在选择合适R的前提下,所测电容分为两档:

(1) 当0.001 μF≤Cx≤0.1 μF,且P3.0接高电平,P3.2接低电平时,R=R1=R3=483 Ω,C3取0.01 μF。由式(2)可知,对应频率fx的范围为10 kHz≤fx≤1 000 kHz,所以Cx=13fxR1ln 2。

(2) 当0.000 01 μF≤Cx≤0.001 μF,且P3.1接高电平,P3.3接低电平时,R=R2=R3=48.3 kΩ,同样C3取0.01 μF。由式(2)可知,对应频率fx的范围为10 kHz≤fx≤1 000 kHz,所以Cx=13fxR2ln 2。

图2 电容测试电路

1.2.2 多路选择开关电路

利用74LS253实现测量类别的转换,74LS253是双四选一的模拟开关选择器件[4]。当选择了某一通道的频率后,输出频率通过P3.4作为CPU定时器的时钟源,并开始计数(P3.5悬空),当计数后读出计数器的值,除以24就得到了被测C所对应产生的频率,通过计算得到要被测值,如图3所示。

图3 选择电路

1.2.3 数码管显示电路

图4是四位LED静态显示驱动电路。

该电路具有锁存、译码、驱动功能的CD4511[4]作为锁存/译码/驱动电路,笔段测试输入LT及消隐输入BI接高电平(无效),锁存输入端LE分别接P1.7,P1.6,P1.5,P1.4。当LE为低电平时,译码输出由ABCD输入端编码决定;当LE由低电平变为高电平时,锁存输入端ABCD的状态,译码输出也相应地保持不变,且具有超量程显示功能[3,8]。

图4 四位LED静态显示驱动电路

图4中数码管显示显示内容如图5所示。

图5 内容显示

2 系统测试及整机指标

为了检测该仪表的整机性能,该表和DT9508B型数字万用表的实测数据如表1所示。

表1 测试数据pF

电容(理论值)万用表读数本仪表读数

7066.767.8

400420410

850810821

5 0004 8104 870

20 00020 60020 400

80 00076 80077 500

经检测该仪表指标达到了如下要求:

(1) 测量范围:0.000 01 μF≤Cx≤0.1 μF;

(2) 测量精度:±5%;

(3) 制作4位数码管显示器,显示测量数值,且能超量程显示。

3 结 语

与传统的电容测量仪表相比,基于单片机技术简化了电路板的空间,提高了系统设计的可靠性,实现了测量过程的智能化[9-10]。经实际运行检验,仪表性能稳定可靠,测量精度高,响应速度快,且基本不受电源波动的影响,抗外界电磁干扰能力强,受周围外界环境的影响小,因此有着广泛的应用空间。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础[M].上海: 高等教育出版社,2006.

[2]薛燕红.传感器自动检测系统的设计与实现[J].电子测量技术,2007(5):196-199.

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[4]康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育学出版社,2006.

[5]李刚民.单片机原理及实用技术[M].北京: 高等教育学出版社,2008.

[6]崔华,刘高.单片机原理实用技术[M].北京:清华大学出版社,2004.

[7]杨静.电子设计自动化[M].北京:高的教育出版社,2006.

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[9]李刚,林凌.现代测控电路[M].北京:高等教育出版社,2004.

[10]汪俊,郑宾.虚拟仪器环境下的扫频仪设计[J].电测与仪表,2008(5):38-40.