吳燕婷， 李自成， 何 超， 鄧成浩， 劉其東， 文嘉駿， 甘 烙， 王毅鴻

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 610059）

0 引言

電容（Capacitance）亦稱作“電容量”在電源濾波、信號(hào)濾波、信號(hào)耦合、諧振、補(bǔ)償、充放電、儲(chǔ)能、隔直流、旁路、耦合、調(diào)諧等電路中起著非常重要的作用。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電容的實(shí)際值大小是一個(gè)必須重視的問(wèn)題，電容值偏差過(guò)大，輕則會(huì)造成電路無(wú)法工作，重則會(huì)造成器件燒毀、電器件爆炸、經(jīng)濟(jì)損失甚至造成人身傷害等情況。因此有必要對(duì)電容展開相關(guān)研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種軟件和芯片的功能也在不斷優(yōu)化和提升，為了使電容的設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，采用了Proteus、STC89C51RD+、NE555 時(shí)基芯片對(duì)電容的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)和仿真。在這此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種便捷的電容值測(cè)量方法。

1 軟件簡(jiǎn)介

1.1 Proteus 簡(jiǎn)介

Proteus 軟件是英國(guó)Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具軟件。因?yàn)槠鋼碛胸S富的處理器模型（例如：8051、ARM、DSP 系列等處理器），支持多種編譯器（IAR、MATLAB 等編譯器）以及強(qiáng)大的單片機(jī)與外圍電路協(xié)調(diào)仿真功能，支持各種電子器件的模擬和仿真，從而廣受歡迎。

1.2 STC89C516RD+主控芯片簡(jiǎn)介

STC89C51RD+ 系列單片機(jī)是STC 推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051 單片機(jī)，12 時(shí)鐘/機(jī)器周期和6 時(shí)鐘/ 機(jī)器周期可以任意選擇，HD 版本和90C 版本內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路。工作頻率范圍為0~40 MHz，相當(dāng)于普通8051 的0~80 MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48 MHz。片上集成1 280 字節(jié)或512 字節(jié)RAM。共3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0 還可以當(dāng)成2 個(gè)8 位定時(shí)器使用。具體見圖1。

圖1 STC89C51RD+系列單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置

本設(shè)計(jì)主要采用其定時(shí)器T0 進(jìn)行測(cè)量工作，下面會(huì)詳細(xì)說(shuō)明定時(shí)器的配置。STC89C51RD+系列單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置的兩個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0 和T1都具有計(jì)數(shù)方式和定時(shí)方式兩種工作方式。對(duì)每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0 和T1），在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位-C/T 選擇T0 或T1 為定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心部件是一個(gè)加法（也有減法）的計(jì)數(shù)器，其本質(zhì)是對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。只是計(jì)數(shù)脈沖來(lái)源不同：如果計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘，則為定時(shí)模式，此時(shí)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器每12 個(gè)時(shí)鐘或者每6個(gè)時(shí)鐘得到一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)值加1；如果計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自單片機(jī)外部引腳（T0 為P3.4,T1 為P3.5），則為計(jì)數(shù)模式，每來(lái)一個(gè)脈沖加1。

定時(shí)器需要的配置如圖2 所示，需要使用的是定時(shí)器T0，因此將內(nèi)部總線上的ET0 以及EA 開關(guān)閉合，并設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)。進(jìn)入模式配置，將C/T 位配置為0，斷開外部中斷支路，此模式下，定時(shí)器被配置為16 位定時(shí)器，由TL0 的8 位和TH0 的8 位所構(gòu)成。TL0 的8 位記錄至256 個(gè)系統(tǒng)脈沖后溢出至TH0，當(dāng)TH0 也溢出的時(shí)（共計(jì)接收到65 536 個(gè)系統(tǒng)脈沖），溢出至TCON 中的溢出標(biāo)準(zhǔn)位TF0 中，當(dāng)TF0 被置位為1 時(shí)，程序?qū)⒁勒罩袛嗵?hào)跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的中斷程序中，中斷程序執(zhí)行完成后，在程序中清除中斷標(biāo)準(zhǔn)位TF0 的值，并重新對(duì)定時(shí)器賦初值，定時(shí)器即可重新計(jì)時(shí)。注意：中斷程序中執(zhí)行的程序占用時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則定時(shí)器程序?qū)⒄加弥鞒绦驁?zhí)行時(shí)間，導(dǎo)致主程序無(wú)法正常運(yùn)行。

圖2 定時(shí)器配置圖

定時(shí)器T0 的初始化函數(shù)如下：

1.3 NE555 時(shí)基芯片介紹

NE555 時(shí)基芯片主要由兩個(gè)比較器和一個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成（如圖3 所示）。左側(cè)電阻支路通過(guò)串聯(lián)3個(gè)5 kΩ 對(duì)電源電壓Vcc 進(jìn)行分壓，從上往下，第一個(gè)比較器為C2，第二個(gè)比較器為C1。比較器C2 的負(fù)極接在第二個(gè)電阻上方，輸入信號(hào)為10 kΩ 電阻分壓Vcc，比較器C1 的正極接在第二個(gè)電阻下方，輸入信號(hào)為5 kΩ 電阻分壓Vcc。將NE555 時(shí)基芯片的2 腳和6 腳短接并接入至外部電容正極處，將外部電容電壓作為觸發(fā)信號(hào)。通電第一時(shí)刻，外部電容通過(guò)與之串聯(lián)的電阻進(jìn)行充電，當(dāng)前觸發(fā)信號(hào)低于Vcc，C1 比較器的輸入信號(hào)低于C1 正極比較電壓Vcc，C1 比較器輸出高電平到RS 觸發(fā)器的S 端，同時(shí)C2 比較器的輸入信號(hào)低于C2 負(fù)極比較電壓Vcc，C2 比較器輸出低電平至RS 觸發(fā)器的R 端，RS 觸發(fā)器輸出端Q 被置位會(huì)輸出高電平。第二時(shí)刻，外部電容被充電至Vcc 到Vcc 之間，C1 比較器輸入信號(hào)高于C1 正極比較電壓Vcc，C1 比較器輸出低電平到RS 觸發(fā)器的S 端，同時(shí)C2 比較器的輸入信號(hào)低于C2 負(fù)極比較電壓Vcc，C2 比較器輸出低電平到RS 觸發(fā)器的R 端，RS 觸發(fā)器輸出端Q 會(huì)保持當(dāng)前輸出的狀態(tài)。第三時(shí)刻，外部電容被充電至Vcc以上，C1 比較器的輸入信號(hào)高于C1 正極比較電壓Vcc，C1 比較器輸出低電平到RS 觸發(fā)器的S 端，同時(shí)C2 比較器的輸入信號(hào)高于C2 負(fù)極比較電壓Vcc，C2 比較器輸出高電平到RS 觸發(fā)器的R 端，RS觸發(fā)器輸出端Q 被復(fù)位輸出低電平，RS 觸發(fā)器反向輸出端Q 非輸出高電平至NPN 型三極管的基極，使三極管導(dǎo)通，外部電容通過(guò)三極管回路放電，直至外部電容電壓下降至Vcc，RS 觸發(fā)器再次被置位，三極管關(guān)斷，外部電容再次通過(guò)串聯(lián)電阻充電，重復(fù)上述過(guò)程，NE555 時(shí)基芯片便實(shí)現(xiàn)了脈沖輸出。

圖3 NE555 時(shí)基芯片內(nèi)部等效圖

2 容值測(cè)量電路工作原理

電容的決定式為：

由電容決定式可知電容大小與電容兩極板間的介質(zhì)、正對(duì)面積、兩極板間的距離有關(guān)，所以說(shuō)電容是電容器的固有屬性，與外加電壓無(wú)關(guān)。

RC 電路的電容充放電公式為：

式中：Vc（t）為時(shí)間為t時(shí)電容器上的電壓；Vo為電容器開始充電時(shí)的電壓，也稱為初始電壓；e為自然常數(shù)（約為2.72）；t為充電的時(shí)間，s；R為電阻的阻值，Ω；C為電容的容量，F(xiàn)。這個(gè)公式反應(yīng)了充電過(guò)程中，電容兩端電壓隨時(shí)間變化的情況。

將該式變形可得：

由上式可知，電容充放電的時(shí)間由充放電電阻R、電容容值C以及初始電壓Vo和目標(biāo)電壓Vs決定。當(dāng)確定使用一個(gè)電容時(shí)，該電容的容值就是固定的，充放電電阻R的阻值、初始電壓Vo和目標(biāo)電壓Vs可以由人們自行設(shè)置，于是通過(guò)合理的設(shè)計(jì)電路，通過(guò)單片機(jī)測(cè)量得到充放電時(shí)間t，便可以逆推出該電容的容值C。

綜上，基于NE555 時(shí)基芯片便設(shè)計(jì)出了該容值測(cè)量電路。該電路通過(guò)2 個(gè)10 kΩ 的電阻對(duì)待測(cè)電容進(jìn)行充電，第一時(shí)刻，當(dāng)待測(cè)電容兩側(cè)的電壓低于Vcc時(shí)NE555 時(shí)基芯片輸出端Q 會(huì)輸出高電平，第二時(shí)刻，當(dāng)待測(cè)電容兩側(cè)的電壓大于Vcc 而小于Vcc時(shí)，NE555 時(shí)基芯片輸出端Q 會(huì)保持當(dāng)前狀態(tài)輸出高電平，第三時(shí)刻，當(dāng)待測(cè)電容兩側(cè)的電壓大于Vcc 時(shí)，NE555 時(shí)基芯片輸出端Q 會(huì)輸出低電平，同時(shí)NE555 時(shí)基芯片內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，待測(cè)電容會(huì)通過(guò)芯片7 腳和一個(gè)10 kΩ 的電阻放電，直到待測(cè)電容兩端電壓放電回落至Vcc，NE555 時(shí)基芯片輸出端Q再次輸出高電平，內(nèi)部三極管停止導(dǎo)通，待測(cè)電容將再次開始通過(guò)兩個(gè)10 kΩ 電阻充電，此后待測(cè)電容將不斷的重復(fù)在Vcc 和Vcc 之間充放電的過(guò)程，而NE555 時(shí)基芯片也會(huì)不斷的重復(fù)輸出高低電平的過(guò)程。

后續(xù)通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)NE555 時(shí)基芯片引腳的脈沖信號(hào)并對(duì)其計(jì)數(shù)，再通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器設(shè)置采樣周期，這樣就可以得到預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)測(cè)量得到的脈沖個(gè)數(shù)，推出單次脈沖周期T=預(yù)設(shè)時(shí)間/脈沖個(gè)數(shù)，又因?yàn)榇郎y(cè)電容通過(guò)20 kΩ 電阻充電，10 kΩ 電阻放電，由電容充放電公式，可推得電容充電時(shí)間t占單次脈沖周期T的。此時(shí)，已測(cè)量得電容充電時(shí)間t、充電電阻R=20 kΩ、充電初始電壓Vo=Vcc、充電目標(biāo)電壓Vs=Vcc，對(duì)電容充放電公式帶值計(jì)算就能求出待測(cè)電容的容值大小。

表1 Proteus 仿真結(jié)果 單位：μF

3 硬件調(diào)試

將電路模型按照原理圖接好后，把待測(cè)電容正極接到NE555 時(shí)基芯片2、6 腳短接處（在實(shí)際調(diào)試時(shí)，分別使用了標(biāo)定電容值470 μF、220 μF、100 μF、47 μF的電容），負(fù)極接地。

將設(shè)備通電。具體見圖4、圖5。

圖4 實(shí)物圖

圖5 實(shí)物原理圖

將設(shè)備通電，等待短暫時(shí)間后，定時(shí)器的值開始發(fā)生變化（即定時(shí)器忽略第一個(gè)高電平后，開始工作），等待20 s 后，左下角將顯示測(cè)得容值，右上角顯示20 s 內(nèi)共測(cè)得脈沖個(gè)數(shù)。取標(biāo)定電容值不同的電容作為待測(cè)電容，先使用金屬導(dǎo)體將待測(cè)電容正負(fù)極短接放電，確保其初始電壓為0，而后分別對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得如表2 所示。

表2 實(shí)物測(cè)量結(jié)果表 單位：μF

在對(duì)標(biāo)定電容值為100 μF的電容時(shí)測(cè)得電容值偏差過(guò)大，于是對(duì)該電容使用了別的精確測(cè)量方法，測(cè)得該電容的實(shí)際容值為81 μF。因?yàn)閱纹瑱C(jī)讀取引腳電平變化需要一定時(shí)間，所以當(dāng)電容容值較低時(shí)（即脈沖頻率較大時(shí)），單片機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確的讀取脈沖個(gè)數(shù)，該測(cè)量方式失效。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，此電路的測(cè)量范圍為33~470 μF。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種對(duì)電容容值進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)方案，該方案采用STC89C516RD+處理器作為主控芯片，通過(guò)設(shè)定單位時(shí)間采集脈沖信號(hào)后通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算測(cè)得電容容值。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，該產(chǎn)品性能良好，使用便捷，能較為準(zhǔn)確的測(cè)出容值，有效的解決了相關(guān)場(chǎng)景下容值測(cè)量的問(wèn)題。對(duì)于超出測(cè)量范圍的電容，可以采用串并聯(lián)已知容值大小的電容進(jìn)行測(cè)量，但同時(shí)需注意串并聯(lián)后電流以及耐壓值的大小。