一种基于单片机的多量程电容测量仪的制作方法

本实用新型涉及电容测量技术，特别涉及一种基于单片机的多量程电容测量仪。

背景技术：

当今电子测试领域，电容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，陶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。现在国内外做传感器的厂商也比较多,在世界范围内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，对测试的重视度以及对仪器本身的研究也明显不够。

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，国内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。特别是随着国内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，以及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。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

技术实现要素：

本实用新型目的是：提供一种基于单片机的多量程电容测量仪，具有结构简单、检测全面、成本低廉、稳定度较好等优点，具有良好的应用价值。

本实用新型的技术方案是：

一种基于单片机的多量程电容测量仪，包括单片机工作电路及分别与其连接的电容测量电路、显示电路和按键电路，所述电容测量电路采用LM393芯片构成的LC振荡器电路。

优选的，所述的单片机工作电路采用STC89C52单片机。

优选的，所述电容测量电路包括电容充放电电路和采用LM393芯片U1A构成LC振荡器；所述的电容充放电电路由LM393芯片比较器U1B组成，通过测得的充电时间和充电电阻计算出电容大小。

优选的，所述按键电路采用非编码键盘。

优选的，所述显示电路采用LCD1602液晶显示屏，用于显示电容值以及一些相应的测量信息。

优选的，所述按键电路包括单片机复位按钮Btn1、校准按钮Btn2，功能切换按钮Btn3，所述Btn3用于在测量小电容和测量电解电容之间切换。本实用新型的优点是：

本实用新型所提供的基于单片机的多量程电容测量仪，能够根据已知的电容值，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。具有结构简单、检测全面、成本低廉、稳定度较好等优点，具有良好的应用价值。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型所述的基于单片机的多量程电容测量仪的系统框图；

图2为本实用新型所述的电容充电时间与电容两端电压之间的函数关系图；

图3为本实用新型所述的电容测量电路电原理图；

图4为本实用新型所述的电容充放电电路的电原理图；

图5为本实用新型所述的单片机最小系统电路图；

图6为本实用新型所述的按键电路的电原理图；

图7为本实用新型所述的显示电路的电原理图；

图8为本实用新型的LCD1602显示电路的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所揭示的一种基于单片机的多量程电容测量仪的系统框图，包括包括单片机工作电路及分别与其连接的电容测量电路、显示电路和按键电路，所述电容测量电路采用LM393芯片构成的LC振荡器电路。

本实用新型这种电容测量方法主要是通过一块LM393芯片来测量电容，电路是一个由LM393组成的LC振荡器。系统主要由四个主要部分组成，单片机工作电路设计，LM393芯片电路设计，按键电路设计，显示电路设计。由单片机测量LC振荡回路的频率F₁，然后根据标准电容C₁，求出电容C_X，其中，F1是固有频率，F2是接入测试电容后的频率。只要我们能够测量出LC振荡器电路的频率，就可以计算 出测量的电容。计算频率的方法可以利用单片机的计数器T₁和中断配合使用来测量，这种研究方法相当的简单。

如图2所示，为电容充电时间与电容两端电压之间的函数关系图，图示曲线可以得到充电过程的一般规律：U_C是按指数规律上升的，U_C开始变化较快，以后逐渐减慢，并缓慢地趋近其最终值，当t＝τ时，U_C＝0.632E(E为电源电压)；本测量仪就是利用单片机测量U_C＝0到0.632E这段时间，用下列式子计算被测电容值：电路由比较器U1B,放电晶体管Q1、Q2等组成。设定比较器正输入端为U_C，(U_C＝0.632E，调节Rref获得)，反向输入端接被测电容C_X，当单片机P15引脚为低电平时，电容放电。注意51单片机引脚的拉电流很小，不能直接驱动Q1，否则放电时间会很长。当单片机P15引脚为高电平时,电容充电，当充电到U_C时，比较器翻转，触发单片机外部中断0，通过测得的充电时间和充电电阻的大小可以计算出电容大小。

如图3所示，电容测量电路，LM393芯片(U1A)构成的LC振荡器。由单片机测量LC振荡回路的频率F₁，然后根据标准电容C₁，求出求出电容C_X，图4是LM393芯片比较器U1B,放电晶体管Q1、Q2等组成的电容充放电电路，通过测得的充电时间和充电电阻的大小可以计算出电容大小。

如图5所示，单片机最小系统电路图，核心是单片机电路，考虑到需要一个中断输入，存储容量、外部接口对单片机端口的需要以及兼顾到节约成本的原则，选用了常用的STC89C52单片机。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和 一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了。由图5可知，9脚外接的是按键复位电路，18,19脚外接的是晶振电路，这样，就构成了单片机正常工作的必备电路。同时，为使P0口正常工作，并增加其带负载能力，P0口需接上拉电阻(在图中未画出)。

如图6所示，按键电路电路图，按键是实现人机对话的比较直观的接口，可以通过按键实现人们想让单片机做的不同的工作。键盘是一组按键的集合，键是一种常开型开关，平时按键的两个触点处于断开状态，按下键是它们闭合。键盘分编码键盘和非编码键盘，案件的识别由专用的硬件译码实现，并能产生键编号或键值的称为编码键盘，而缺少这种键盘编码电路要靠自编软件识别的称为非编码键盘。在单片机组成的电路系统及智能化仪器中，用的更多的是非编码键盘。图6就是一种比较典型的按键电路，在按键没有按下的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候，输出的低电平。其中Btn1是单片机复位按钮；Btn2是校准按钮，在测量小电容时候可以随时按下清零显示；Btn3是功能切换按钮，用来在测量LCF(频率、小电容、电感)和测量电解电容之间切换。

如图7所示，显示电路电路图，LCD以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里介绍的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里我们使用的是2行16个字的1602液晶模块。图7就是常见的LCD1602液晶显示屏引脚图。第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15～16脚：空脚。

如图8所示，LCD1602接与P0口，用于显示电容值以及一些相应的测量信息。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新 型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。