论文总字数：25201字

摘 要

科技日益发展，在电子领域同样如此，而电容作为电力电子领域内最常见的元器件之一，它的容量大小对电路的正常工作起着十分重要的作用。因此，对电容大小的测量在学习和工作中的需求是十分广泛的。

本次设计基于51单片机制作出了一种功能便捷的电容表，设计的核心原理是555多谐振荡器自激产生并输出脉冲信号，将待测电容的容值大小转换成多谐振荡电路输出的脉冲频率，再通过单片机的定时器和计数器功能接收并计算出对应的脉冲频率，加之555多谐振荡器除了待测电容以外的各电阻和电容的大小已知，可以将待测电容的具体大小计算出来，最后通过单片机的普通寄存器和I/O口将测得的容值大小通过LED显示屏显示出来。

系统的测量范围为10—990uf，测试范围较大，相比于学习工作中经常使用到的电容，本次设计要求测量的电容偏大，该设计最后通过Proteus和keil等软件来进行仿真，测量仪的量程和精度都满足设计要求。

关键词：电容测量；单片机；多谐振荡器；脉冲频率；LED显示

Abstract

With the development of science and technology, the same is true in the field of electronics, and as one of the most common components in the field of power electronics, its capacity plays a very important role in the normal operation of the circuit. Therefore, the demand for the measurement of capacitance is very extensive in learning and work.

This design will introduce the principle, design scheme and implementation method of a digital capacitance measuring instrument based on 51 single chip microcomputer. The method used in this design is to use a 555 chip and a capacitor and resistor of a certain size to form a multivibrator, convert the capacitance value of the capacitor under test into the pulse frequency of the multi-resonance oscillation circuit, and then pass the timer and counter functions of the single-chip Receive and calculate the corresponding pulse frequency, plus the size of each resistance and capacitance of the 555 multivibrator except the capacitance to be measured, the specific size of the capacitance to be measured can be calculated, and finally through the ordinary register of the microcontroller and I / The O port displays the measured capacitance value through the LED display.

The measurement range of the system is 10-990uf, and the test range is relatively large. Compared with the capacitance often used in learning work, this design requires that the measured capacitance is too large.The design is finally simulated by software such as Proteus and keil. The range and accuracy of the measuring instrument meet the design requirements.

Key Words:Capacitance measurement；Single chip microcomputer；Multivibrator；Pulse frequency；LED display

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景 1

1.2研究的意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.4研究的目标与论文安排 3

第2章 设计方案的比较与选择 4

2.1通过微分电路测电容 4

2.2通过单稳态触发器测电容 5

2.3通过555多谐振荡器测电容 6

2.4方案对比 7

第3章 设计原理 9

3.1系统总体设计 9

3.2 555多谐振荡器的结构与工作原理 10

3.3单片机测量频率的原理 13

第4章 硬件设计 16

4.1硬件电路的总体设计 16

4.2控制电路的设计 17

4.3测量电路的设计 17

4.4 显示电路的设计 18

第5章 软件设计 20

5.1总体设计 20

5.2 频率测量模块设计 20

5.3 计算模块设计 21

5.4 显示模块设计 22

第6章 实验结果和分析 23

6.1仿真调试 23

6.2实验结果 23

6.3误差分析 24

第7章 结论与心得体会 25

7.1 结论 25

7.2 心得体会 25

参考文献 26

致 谢 27

附录 28

绪论

1.1研究的背景

电容作为电路设备和电力电子领域中最基本和常见的电子元器件之一，所以对电容大小的测量与我们的工作、生活、学习以及工业生产都密不可分，尤其是在工业生产和设备检查维修方面尤为突出，通过对它的测量我们能够监控设备的运行并进行相应的故障判断。

根据上述对电容的描述以及对电容测量工作领域的介绍，不难看出，在我们生活中的各个方面，凡是与电相关的领域，必然是离不开电容的，可见电容测量对社会和科技的发展有着很大的作用。而当前在电容测量领域面临主要问题是，常见电容表的功能无论是使用的便利程度还是精度都差强人意，而性能好、精度高的电容表价格又十分昂贵。所以迫切需要性能好、精度高且价格实惠的电容测量器。近些年来，数字式电容测量仪在生产生活中应用越来越广泛，这主要得益于其优秀的性能和精度，以及亲民的性价比^[3]，同时还具有操作简单、易于调试等优点，所以在实际生产实践中，被应用的越来越广泛。

在电子技术的发展过程中，芯片和电路的集成程度也是越来越高，这些高度集成的芯片和电路被应用与生活中的各个方面，最为常见的就是我们使用最频繁的手机和电脑了，这些高度集成的芯片为我们生活带来便利的同时，也为检测和维修领域带来了不小的挑战，一块小小的芯片上包含了大量的元器件和线路，如果发生了故障则很难检修。常见的检测方法是检测特定元器件是否正常工作，而电容的检测是必不可少的一环，所以设计出方便、高精度的电容测量器对检测领域有着很大的帮助。

1.2研究的意义

在当今这个科学技术飞快发展的时代，新型元器件、芯片层出不穷，但这些新出现的元器件和芯片都有一个共通点，那就是，无论它们的功能再新颖，再强大，始终离不开那些最早出现且功能最单一的元器件，而电容就是其中之一，这也间接说明了电容的应用领域越来越广，所以便利、精度高的电容测量器具有十分重要的现实意义。

对于电容的数字化测量，往往是将电容大小先转换为一定的模拟量，然后经过一些特定电路来转换为频率信号，相比于传统的测量方法——将电容转换成其他模拟量而言，提高了测量的精度，其次，使用控制类的芯片，省去了大量的电路和元器件，使得整个测量器的简洁程度更高，成本更低。

在我们的研究和学习中，单片机是一种非常常见并且广泛使用的元器件，具有高性价比、高集成度，较强的控制能力、低功耗以及扩展性强等十分突出的优点，尤其是对于像本次设计这种功能比不是十分复杂的情况，单片机显得尤为适用，既能很好的实现相应的功能，又能大幅降低成本。

所以单片机所具备的这些特点也正好是制作数字式电容测量仪所需要的，因此可以将两者结合，设计和制作出可靠，安全，高精度的电容测量仪。

而数字式测量电容的方法其实并不少，他们的共同点一方面是在于都可以使用单片机来进行控制，另一方面则是，都是将电容转换为频率信号来实现测量的。诸如多谐振荡器，单稳态触发器，抑或是电压比较器在实现测量功能时都有这两个特点。不同的可能在于转换的原理、频率信号的形式。而本次研究则选取了多谐振荡器来作为核心测量电路，配合单片机以及一些外围设备的频率检测、计算和显示功能，最终实现了电容测量的功能。

1.3国内外研究现状

在我们的学习、工作以及工业生产中，对电容测量的需求越来越大，在工业生产中尤为突出，在整个生产过程中，对于生产的产品进行测试，以及对故障产品进行检修都离不开对电容的测量，而常用的测量方法如下：

传统的测量方法中，最经典和最常用的方法有两种，分别是电桥法和阻抗法，前者的功能更加强大且全面，可以精确的测量电容值以及待测电容的其他相关参数，老式的电桥法除了调试十分繁琐，还需要经过大量的计算过程将电容的最终值计算出来，所需要的人力物力成本和其功能相比显然时不划算的，虽然新式的电桥法采用了数字式的方法，可以通过控制芯片省去手动计算过程直接读出电容值，但此方法依旧繁琐；后者相比于前者，虽然功能比较单一，但是操作更简便，成本更低，在数字式测量法广泛应用前，这种方法无疑是最常见且运用最多的测量方法。

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