基于单片机的电容测量电路设计仿真及实现

吴燕婷， 李自成， 何 超， 邓成浩， 刘其东， 文嘉骏， 甘 烙， 王毅鸿

（成都理工大学工程技术学院， 四川 成都 610059）

0 引言

电容（Capacitance）亦称作“电容量”在电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、补偿、充放电、储能、隔直流、旁路、耦合、调谐等电路中起着非常重要的作用。在设计电路时，电容的实际值大小是一个必须重视的问题，电容值偏差过大，轻则会造成电路无法工作，重则会造成器件烧毁、电器件爆炸、经济损失甚至造成人身伤害等情况。因此有必要对电容展开相关研究。随着计算机技术的发展，各种软件和芯片的功能也在不断优化和提升，为了使电容的设计更加优化，采用了Proteus、STC89C51RD+、NE555 时基芯片对电容的设计进行试验和仿真。在这此基础上设计了一种便捷的电容值测量方法。

1 软件简介

1.1 Proteus 简介

Proteus 软件是英国Lab Center Electronics 公司出版的EDA 工具软件。因为其拥有丰富的处理器模型（例如：8051、ARM、DSP 系列等处理器），支持多种编译器（IAR、MATLAB 等编译器）以及强大的单片机与外围电路协调仿真功能，支持各种电子器件的模拟和仿真，从而广受欢迎。

1.2 STC89C516RD+主控芯片简介

STC89C51RD+ 系列单片机是STC 推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051 单片机，12 时钟/机器周期和6 时钟/ 机器周期可以任意选择，HD 版本和90C 版本内部集成MAX810 专用复位电路。工作频率范围为0~40 MHz，相当于普通8051 的0~80 MHz，实际工作频率可达48 MHz。片上集成1 280 字节或512 字节RAM。共3 个16 位定时器/计数器，其中定时器0 还可以当成2 个8 位定时器使用。具体见图1。

图1 STC89C51RD+系列单片机内部设置

本设计主要采用其定时器T0 进行测量工作，下面会详细说明定时器的配置。STC89C51RD+系列单片机内部设置的两个16 位定时器/计数器T0 和T1都具有计数方式和定时方式两种工作方式。对每个定时器/计数器（T0 和T1），在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位-C/T 选择T0 或T1 为定时器还是计数器。定时器/计数器的核心部件是一个加法（也有减法）的计数器，其本质是对脉冲进行计数。只是计数脉冲来源不同：如果计数脉冲来自系统时钟，则为定时模式，此时定时器/计数器每12 个时钟或者每6个时钟得到一个计数脉冲，计数值加1；如果计数脉冲来自单片机外部引脚（T0 为P3.4,T1 为P3.5），则为计数模式，每来一个脉冲加1。

定时器需要的配置如图2 所示，需要使用的是定时器T0，因此将内部总线上的ET0 以及EA 开关闭合，并设置中断优先级。进入模式配置，将C/T 位配置为0，断开外部中断支路，此模式下，定时器被配置为16 位定时器，由TL0 的8 位和TH0 的8 位所构成。TL0 的8 位记录至256 个系统脉冲后溢出至TH0，当TH0 也溢出的时（共计接收到65 536 个系统脉冲），溢出至TCON 中的溢出标准位TF0 中，当TF0 被置位为1 时，程序将依照中断号跳转至对应的中断程序中，中断程序执行完成后，在程序中清除中断标准位TF0 的值，并重新对定时器赋初值，定时器即可重新计时。注意：中断程序中执行的程序占用时间不宜过长，否则定时器程序将占用主程序执行时间，导致主程序无法正常运行。

图2 定时器配置图

定时器T0 的初始化函数如下：

1.3 NE555 时基芯片介绍

NE555 时基芯片主要由两个比较器和一个RS触发器构成（如图3 所示）。左侧电阻支路通过串联3个5 kΩ 对电源电压Vcc 进行分压，从上往下，第一个比较器为C2，第二个比较器为C1。比较器C2 的负极接在第二个电阻上方，输入信号为10 kΩ 电阻分压Vcc，比较器C1 的正极接在第二个电阻下方，输入信号为5 kΩ 电阻分压Vcc。将NE555 时基芯片的2 脚和6 脚短接并接入至外部电容正极处，将外部电容电压作为触发信号。通电第一时刻，外部电容通过与之串联的电阻进行充电，当前触发信号低于Vcc，C1 比较器的输入信号低于C1 正极比较电压Vcc，C1 比较器输出高电平到RS 触发器的S 端，同时C2 比较器的输入信号低于C2 负极比较电压Vcc，C2 比较器输出低电平至RS 触发器的R 端，RS 触发器输出端Q 被置位会输出高电平。第二时刻，外部电容被充电至Vcc 到Vcc 之间，C1 比较器输入信号高于C1 正极比较电压Vcc，C1 比较器输出低电平到RS 触发器的S 端，同时C2 比较器的输入信号低于C2 负极比较电压Vcc，C2 比较器输出低电平到RS 触发器的R 端，RS 触发器输出端Q 会保持当前输出的状态。第三时刻，外部电容被充电至Vcc以上，C1 比较器的输入信号高于C1 正极比较电压Vcc，C1 比较器输出低电平到RS 触发器的S 端，同时C2 比较器的输入信号高于C2 负极比较电压Vcc，C2 比较器输出高电平到RS 触发器的R 端，RS触发器输出端Q 被复位输出低电平，RS 触发器反向输出端Q 非输出高电平至NPN 型三极管的基极，使三极管导通，外部电容通过三极管回路放电，直至外部电容电压下降至Vcc，RS 触发器再次被置位，三极管关断，外部电容再次通过串联电阻充电，重复上述过程，NE555 时基芯片便实现了脉冲输出。

图3 NE555 时基芯片内部等效图

2 容值测量电路工作原理

电容的决定式为：

由电容决定式可知电容大小与电容两极板间的介质、正对面积、两极板间的距离有关，所以说电容是电容器的固有属性，与外加电压无关。

RC 电路的电容充放电公式为：

式中：Vc（t）为时间为t时电容器上的电压；Vo为电容器开始充电时的电压，也称为初始电压；e为自然常数（约为2.72）；t为充电的时间，s；R为电阻的阻值，Ω；C为电容的容量，F。这个公式反应了充电过程中，电容两端电压随时间变化的情况。

将该式变形可得：

由上式可知，电容充放电的时间由充放电电阻R、电容容值C以及初始电压Vo和目标电压Vs决定。当确定使用一个电容时，该电容的容值就是固定的，充放电电阻R的阻值、初始电压Vo和目标电压Vs可以由人们自行设置，于是通过合理的设计电路，通过单片机测量得到充放电时间t，便可以逆推出该电容的容值C。

综上，基于NE555 时基芯片便设计出了该容值测量电路。该电路通过2 个10 kΩ 的电阻对待测电容进行充电，第一时刻，当待测电容两侧的电压低于Vcc时NE555 时基芯片输出端Q 会输出高电平，第二时刻，当待测电容两侧的电压大于Vcc 而小于Vcc时，NE555 时基芯片输出端Q 会保持当前状态输出高电平，第三时刻，当待测电容两侧的电压大于Vcc 时，NE555 时基芯片输出端Q 会输出低电平，同时NE555 时基芯片内部的三极管导通，待测电容会通过芯片7 脚和一个10 kΩ 的电阻放电，直到待测电容两端电压放电回落至Vcc，NE555 时基芯片输出端Q再次输出高电平，内部三极管停止导通，待测电容将再次开始通过两个10 kΩ 电阻充电，此后待测电容将不断的重复在Vcc 和Vcc 之间充放电的过程，而NE555 时基芯片也会不断的重复输出高低电平的过程。

后续通过单片机检测NE555 时基芯片引脚的脉冲信号并对其计数，再通过单片机定时器设置采样周期，这样就可以得到预设时间内测量得到的脉冲个数，推出单次脉冲周期T=预设时间/脉冲个数，又因为待测电容通过20 kΩ 电阻充电，10 kΩ 电阻放电，由电容充放电公式，可推得电容充电时间t占单次脉冲周期T的。此时，已测量得电容充电时间t、充电电阻R=20 kΩ、充电初始电压Vo=Vcc、充电目标电压Vs=Vcc，对电容充放电公式带值计算就能求出待测电容的容值大小。

表1 Proteus 仿真结果 单位：μF

3 硬件调试

将电路模型按照原理图接好后，把待测电容正极接到NE555 时基芯片2、6 脚短接处（在实际调试时，分别使用了标定电容值470 μF、220 μF、100 μF、47 μF的电容），负极接地。

将设备通电。具体见图4、图5。

图4 实物图

图5 实物原理图

将设备通电，等待短暂时间后，定时器的值开始发生变化（即定时器忽略第一个高电平后，开始工作），等待20 s 后，左下角将显示测得容值，右上角显示20 s 内共测得脉冲个数。取标定电容值不同的电容作为待测电容，先使用金属导体将待测电容正负极短接放电，确保其初始电压为0，而后分别对其进行测试，测得如表2 所示。

表2 实物测量结果表 单位：μF

在对标定电容值为100 μF的电容时测得电容值偏差过大，于是对该电容使用了别的精确测量方法，测得该电容的实际容值为81 μF。因为单片机读取引脚电平变化需要一定时间，所以当电容容值较低时（即脉冲频率较大时），单片机无法准确的读取脉冲个数，该测量方式失效。经过多次测试，此电路的测量范围为33~470 μF。

4 结语

本文提出一种对电容容值进行测量的技术方案，该方案采用STC89C516RD+处理器作为主控芯片，通过设定单位时间采集脉冲信号后通过数学运算测得电容容值。经反复调试，该产品性能良好，使用便捷，能较为准确的测出容值，有效的解决了相关场景下容值测量的问题。对于超出测量范围的电容，可以采用串并联已知容值大小的电容进行测量，但同时需注意串并联后电流以及耐压值的大小。