怎样设计一个基于AT89S51单片机的电容测试仪？

1 引言

随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小［1］。因此，一种简单、实用的电容测试工具在实际中具有一定的实用价值。一般元件参数的数字化测量是把被测参数转换成频率后再进行测量［2］，本设计采用555为核心的振荡电路，将被测电容值转化为频率，并利用AT89S51处理器测量出频率，再通过该频率值计算出电容参数值。

2 系统的原理框图

系统主要采用了555定时器构成的RC振荡电路和单片机技术。设计思路：被测电容C通过RC振荡转换成频率信号f，送入单片机测频，对该频率进行运算处理求出被测电容的值，并送显示器显示。系统框图如图1所示，其主要由测量电路和控制电路两部分组成。当接入被测电容后，由555定时器构成RC振荡器产生方波信号，把此信号通过接口传到AT89C51单片机I/O口上，对此方波信号进行测频，通过软件编程，计算出得到被测电容值，由LCD1602液晶显示。

图1 系统框图

3 硬件设计

3.1 555振荡电路的设计

由555芯片构成的多谐振荡电路如图2，CX为被测电容，接通电源后，CX被充电，A点电压UA上升。当UA上升到时，触发器被复位，同时555芯片内部放电三极管导通，此时U0为低电平。CX通过R2和放电三极管放电，使UA下降。当UA下降到时，触发器又被置位，U0翻转为高电平［3］。CX放电所需的时间为：

图2 555构成的RC振荡电路

由上式可知，当电路设计完成后，振荡器输出f随CX的变化而改变。改变R1、R2的值即可改变系统量程。系统量程分为四档：（1）R1+2R2=470KΩ时，测1.0nF-10.0nF的电容值。（2）R1+2R2=47KΩ时，测10.0nF~100.0nF的电容（3）R1+2R2=4.7KΩ时，测100.0nF~1000.0nF的电容。（4）R1+2R2=470Ω时，测1.0μF~10.0μF的电容。图3为R1+2R2=470KΩ时，测量电容为2μF振荡输出输出波形。

图3 振荡电路输出的频率信号

3.2 信号处理及显示电路

信号处理电路部分采用单片机AT89S51作为系统的主控制器。AT89S51单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、外加电源及单片机构成［4］，其硬件电路如图4所示。555振荡电路输出的是脉冲波，接到AT89S51处理器的输入引脚P3.5，通过AT89S51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，构成一个数字式频率测量系统，测出频率后按（5）式运算处理后得到被测电容值。

图4 单片机控制显示模块

显示模块LCD1602液晶第1、2脚接驱动电源;第三脚VL为液晶的对比度调节，通过在VCC和GND之间接一个10K多圈可调电阻，中间抽头接VL，可实现液晶对比度的调节;液晶的控制线RS、R/W、E分别接单片机的P2.5、P2.6、P2.7;D0~D7为LCD1602液晶模块的8位双向数据口，分别与STC89C52RC单片机的P1.0~P1.7相连，用于传输数据。接在单片机的P0口;BL+、BL-为液晶背光电源［5］［6］。

4 系统软件设计

图5 主程序流程图

系统软件环境以Keil4.0为仿真平台，使用C语言编程编写了运行程序;包括主程序模块、显示模块和电容测试模块。软件设计主要包括三个方面：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，这样便于调试和修改，易编程和易读性好，也程序结构清楚［7］。系统程序流程如图6所示，首先对P3.5口脉冲信号频率的测量，再通过（5）式算出所测的电容值，由LCD1602显示出来。

5 系统的测试

表1 电容测试数据

6 结束语

设计的电容测试仪硬件采用555定时器作为信号采集模块、AT89S51单片机作为信号处理器模块，软件采用Keil4.0为仿真平台，使用C语言编程编写了运行程序。其具有性能稳定、精度高、操作简单、功耗低等优点。经测试表明：其可以测试1.0nF-10.0uF范围的电容，误差小于0.5%。误差产生主要原因与电路元件参数、测试环境、测试方法等因素有关。