数字电容测量仪

摘 要：当今社会正在朝着电子化市场发展，现代电子产品已经广泛的应用在各个领域，本设计以STC89C52单片机和555振荡器作为主要元件，通过用555定时器接成单稳态产生闸门信号和多谐振荡器产生脉冲信号，通过计数器计量闸门信号内脉冲的个数后经锁存译码最后经数码管显示出来，进而实现对电容值得测量。

关键词：STC89C52；555振荡器；电容测量；数码管显示

中图分类号：F425 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-01

数字电容测量计设计主要包括测量电路，记数电路和显示电路三部分。测量电路的核心部分是555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器。记数电路是由74LS160和74LS161构成的计数器以及74LS273锁存器构成。显示电路由译码器和数码管构成，测量方法使用测脉宽法，测脉宽法利用记数控制电路中的单稳态触发器在被测电容CX上的充放电规律，将电容容值转换为脉冲宽度TX，再与标准脉冲信号相与得到TX内的脉冲数N，通过记数显示就可以得到容值。本设计选择用闸门信号来控制时钟信号产生的CP脉冲个数，使其来反映被测电容Cx的数值。用测脉宽法得到的数值比较容易通过数码管来显示。

一、单元电路设计与分析

（一）测量电路

图1是由两个555定时器接成的单稳态触发器和多谐振荡器所构成的电容测量电路，C3为被测电容，当被测电容CX接入电路后，由于电容充放电效应，单稳态触发器会产生一个脉宽与被测电容大小成正比的闸门信号，同时多谐振荡器会产生脉冲信号CP，闸门信号与脉冲信号CP同时经过与门运算，得到一个新的脉冲信号，再将此信号送入计数器进行计数。单稳态触发器由555定时器接成，当接入被测电容时，通过被测电容C3充放电，使电压在0到2/3VCC之间振荡，最后脉冲由3端输出。单稳态触发器输出电压脉宽：TX=RCXln3≈1.1RCX，这种电路产生的脉冲可以从几微秒到数分钟。当R固定时，则TW为正比于电容。C越大，则Tw时间内通过与门的时钟脉冲就越多，则计数电路实现T与C正比。多谐振荡器输出电压脉宽：T=（R1+2R2）Cln2≈0.69（R1+2R2）C。

经过与门后得到的信号满足：RCxln3=N（R1+2R2）Cln2，令参考电容C=1uf进过整理得：CX=N（R1+2R2）Cln2/Rln3，即当（R1+2R2）Cln2/Rln3=1时，闸门信号内单位脉冲数N×10就得到被测电容CX的容值。

（二）计数电路

计数电路由74LS161计数器74LS160计数器和74LS273锁存器构成，两片计数器通过置数法将两片计数器连接成百进制计数器，计数范围为0到99。时钟信号由闸门信号和脉冲信号相与得到，当计数达到99时，再经过一个脉冲时钟信号74LS161的输出端Q3和Q1输出1。两片计数器输出端接74LS273锁存器输入端，锁存器时钟信号由单稳态触发器输出信号经过反相得到，经过反相器是为了使锁存器在计数结束时开始锁存。计数部分由74LS161十六进制计数器和74LS160十进制计数器构成，74LS160计数器的EP和ET端接高电平，使之保持在工作状态，时钟信号由测量电路输出提供，其进位输出端接到74LS161计数器的EP和EP端，使其在进位时让计数器U3工作。两片计数器的MR端和LOAD端均接测量电路的单稳态输出端，保证计数器在有效技术范围内计数。当超出计数范围时，Q3和Q1为1通过74LS08与门输入到下一级电路。计数电路中的锁存功能由锁存器74LS273完成，D0到D7端为数据输入端，分别对应接到计数器的输出端。MR端为异步清零端，接高电位使其保持在工作状态。时钟信号由测量电路中的单稳态触发器输出端经过反相得到，使其在技术结束时进行锁存。Q0到Q7端为输出端，分别接到下一级显示电路的译码器输入端。

显示电路主要包括译码器7448和数码管两部分，计数电路的锁存器输出端分别接到译码器输入端，译码器LT，RBI均接高电位使其保持工作状态，QA到QG为译码器输出端分别接到数码管输入端，同时Vcc接限流电阻接到输入端。当接入被测电阻电路工作时，计数器计数再通过锁存器将计数结果送入7448译码器，译码器将相应数值译成高低电平送入数码管，数码管显示相应数值。显示驱动电路，A0到A3为输入端，当LI和RBI同时置高电位时译码器工作。Ya到Yg为输出端，分别接数码管各端驱动显示。

二、结束语

在这次设计中虽然遇到了许多的困难，首先在设计总电路的时候就有好多方案，是经过了多次的实验测量选择出了最合适的方案进行设计。通过与同伴、老师进行商议讨论，最终完成了设计方案的确定，通过查阅相关参考文献对STC89C52单片机的各个管脚进行了了解。以及电路中各个芯片的使用，每个管脚的作用都要有所熟悉才能够进行本次设计。在进行555定时器产生单脉冲信号时脉冲信号出现了小毛刺，对设计结果产生了不小的影响，后经过上网查阅资料得知信号干扰的解决方法可以在多谐振荡器输出端加入74HC08使输出波形毛刺减少，从而使单片机测量结果变精确。

参考文献：

[1]胡辉.单片机原理及应用设计[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]邱关源.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]崔瑞雪，张增良.电子技术动手实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[作者简介]刘玉森（1992.08-），男，河北承德人，本科；刘笑聪（1993.11-），女，河北石家庄人，大专；周士昆（1992.02-），男，河北唐山人，本科。