用555定時(shí)器如何設(shè)計(jì)電容測試儀？

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。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,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,把此信號通過接口傳到AT89C51單片機(jī)I/O口上,對此方波信號進(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。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

3.2 信號處理及顯示電路

信號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,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。

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,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。系統(tǒng)程序流程如圖6所示,首先對P3.5口脈沖信號頻率的測量,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)器作為信號采集模塊、AT89S51單片機(jī)作為信號處理器模塊,軟件采用Keil4.0為仿真平臺,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)。