CN106841820A - 多量程电容测量电路、装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多量程电容测量电路、装置及方法。该多量程电容测量电路包括方波产生电路、波形整形电路、单片机最小系统及显示器。所述方波产生电路包括NE555芯片、电阻网络和参考电容。所述电阻网络包括电阻矩阵及与所述电阻矩阵连接的第一多路开关，所述电阻矩阵包括多个阻值不同的电阻，所述第一多路开关包括多个与所述电阻一一连接的第一开关及控制多个所述第一开关的第一控制芯片，多个所述电阻并联。该多量程电容测量电路，通过单片机控制第一控制芯片闭合不同的第一开关，改变所述电阻矩阵接入的电阻，调整所述多量程电容测量电路的量程，以测量不同电容值的待测电容，电路简单，操作简便，测量范围可调，满足实际的应用需要。
Description
技术领域
本发明涉及电容测量技术领域，具体而言，涉及一种多量程电容测量电路、装置及方法。
背景技术
随着超精密制造及精密仪器和现代工业信息技术的发展，在测量领域中，电容效应是一个基本的测量对象。通过极板电容器的电容量测量可以获得极板间电介质材料的介电常数、极板间距等重要参数，在化工、农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等领域有着广泛的应用。目前常用的电容测量仪器，大多是模拟电路，如电桥电路等，其测量方法主要是通过电感耦合交流电桥、双T网络等，其能实现较为精密的电容测量，但是交流电桥测量时，待测电容与标准电容间容值相差较大时，会造成一定的非线性，导致电容测量误差增大，因此，其无法满足大量程范围的电容测量需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多量程电容测量电路、装置及方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多量程电容测量电路，包括方波产生电路、波形整形电路、单片机最小系统及显示器，所述方波产生电路包括NE555芯片、电阻网络和参考电容，所述单片机最小系统包括电性连接的单片机、时钟电路、复位电路和扩展按键，所述电阻网络包括电阻矩阵及与所述电阻矩阵连接的第一多路开关，所述电阻矩阵包括多个阻值不同的电阻，所述第一多路开关包括多个与所述电阻一一连接的第一开关及控制多个所述第一开关的第一控制芯片，多个所述电阻并联；
待测电容的一端与所述NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端接地，所述电阻网络的一端与所述NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端与电源连接，所述第一多路开关的第一控制芯片与所述单片机连接，所述参考电容的一端与所述NE555芯片的5引脚连接、另一端接地，所述NE555芯片的8引脚和4引脚与所述电源连接，所述NE555芯片的3引脚与所述波形整形电路连接，所述单片机最小系统与所述波形整形电路和所述显示器分别连接；
所述单片机控制所述第一控制芯片选择闭合不同的所述第一开关，继而改变所述电阻矩阵接入的电阻，从而调整所述多量程电容测量电路的量程。
可选地，所述方波产生电路还包括误差补偿模块，所误差补偿模块包括电容矩阵及与所述电容矩阵连接的第二多路开关，所述电容矩阵包括多个电容值不同的标准电容，所述第二多路开关包括多个与所述标准电容一一对应的第二开关及控制多个所述第二开关的第二控制芯片，多个所述标准电容并联；
所误差补偿模块一端与所述NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端接地，所述第二多路开关的第二控制芯片与所述单片机连接；
所述单片机预存有与多个所述标准电容一一对应的理论脉冲频率，所述单片机控制所述第二控制芯片选择闭合不同的所述第二开关，继而改变所述电容矩阵接入的标准电容，获得多个实际脉冲频率，根据实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系进行误差补偿。
可选地，所述第一多路开关和所述第二多路开关为单8通道数字控制模拟电子开关CD4051。
可选地，所述方波产生电路的输出频率范围为500Hz到50KHz之间。
可选地，所述电阻矩阵包括八个所述电阻，其中，六个所述电阻的阻值分别为14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ。
可选地，所述电容矩阵包括八个电容值不同的标准电容，八个所述标准电容的电容值分别为20pF、100pF、500pF、5nF、50nF、500nF、5uF和50uF。
一种多量程电容测量方法，应用于上述的多量程电容测量装置，所述单片机预存有各个所述电阻对应的电容测量量程，所述方法包括：
所述单片机控制所述第一控制芯片选择闭合一所述第一开关，将所述第一开关对应的电阻接入所述方波产生电路；
所述方波产生电路产生方波并发送至所述波形整形电路；
所述波形整形电路对所述方波进行整形，并将整形后的方波发送至所述单片机；
所述单片机接收所述波形整形电路发送的方波，进行上升沿捕捉计数，并初步计算所述待测电容的电容值；
所述单片机判断计算的待测电容的电容值是否在接入的电阻对应的电容测量量程内；
若不在电容测量量程内，则所述单片机将另一电阻接入所述方波产生电路，重新测量，直到计算的待测电容的电容值在接入的电阻对应的电容测量量程内，将该计算的待测电容的电容值确定为所述待测电容的电容值；
若在电容测量量程内，则所述单片机将计算的待测电容的电容值确定为所述待测电容的电容值，并发送至所述显示器显示。。
可选地，所述单片机预存有与多个所述标准电容一一对应的理论脉冲频率，所述方法还包括：
所述单片机控制所述第二控制芯片闭合不同的所述第二开关，改变所述电容矩阵接入的标准电容，获得多个实际脉冲频率；
根据所述实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系，建立误差补偿函数；
根据误差补偿函数，对计算的待测电容的电容值进行误差补偿。
一种多量程电容测量装置，所述多量程电容测量装置包括封装外壳、PCB板和上述的多量程电容测量电路，所述封装外壳是由顶面、底面、第一侧面、第二侧面、第三侧面、和第四侧面围合而成的立方体结构，所述方波产生电路、波形整形电路、单片机最小系统通过PCB板连接并设置在所述封装外壳内，所述显示器和扩展按键设置于所述顶面；
所述第三侧面上设置有第一引脚和第二引脚，所述第一引脚与所述NE555芯片的2引脚和6引脚分别连接，所述第二引脚接地，所述待测电容通过所述第一引脚和第二引脚连接在所述NE555芯片的2引脚和6引脚与地之间；
所述第二侧面开设有多个第一散热孔，所述第四侧面开设有多个第二散热孔，所述多个第二散热孔与所述多个第一散热孔相对设置，所述第一侧面设置有充电接头。
可选地，所述底面设置有多个第三散热孔、多个第四散热孔和多个减震橡胶垫，所述多个第三散热孔沿所述第二侧面和底面的公共边的延伸方向设置，所述多个第四散热孔沿所述第四侧面和底面的公共边的延伸方向设置，所述多个减震橡胶垫沿所述第一侧面和底面的公共边以及所述第三侧面和底面的公共边的延伸方向设置。
本发明提供的多量程电容测量电路、装置及方法，通过单片机控制第一控制芯片闭合不同的第一开关，改变所述电阻矩阵接入的电阻，调整所述多量程电容测量电路的量程，以测量不同电容值的待测电容。方波信号从NE555芯片的3脚输出，经波形整形电路进行波形整形后，送至单片机。由单片机对整形后的方波信号的上升沿捕获定时计数，并根据计数时间间隔和计数值计算方波脉冲的频率。最后，根据公式即可计算出待测电容的电容值，并发送至显示器进行显示。该多量程电容测量电路，电路简单，操作简便，测量范围可调，满足实际的应用需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多量程电容测量电路的方框示意图。
图2为图1中方波产生电路的电路连接图。
图3为图1中单片机最小系统的方框示意图。
图4为本发明实施例提供的一种多量程电容测量方法的流程图。
图5为本发明实施例提供的另一种多量程电容测量方法的流程图。
图6为本发明实施例提供的一种多量程电容测量装置的结构示意图。
图7为本发明实施例提供的一种多量程电容测量装置的另一视角的结构示意图。
图标：10-方波产生电路；30-波形整形电路；50-单片机最小系统；70-显示器；11-NE555芯片；12-电阻网络；C-参考电容；VCC-电源；Cx-待测电容；121-电阻矩阵；123-第一多路开关；13-误差补偿模块；131-电容矩阵；133-第二多路开关；51-单片机；52-时钟电路；53-复位电路；54-扩展按键；200-封装外壳；201-顶面；203-底面；205-第一侧面；207-第二侧面；209-第三侧面；211-第四侧面；2091-第一引脚；2093-第二引脚；2071-第一散热孔；2111-第二散热孔；2051-充电接头；2031-第三散热孔；2033-第四散热孔；2035-减震橡胶垫。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
请参阅图1，本发明实施例提供一种多量程电容测量电路，方波产生电路10、波形整形电路30、单片机最小系统50及显示器70。
请参阅图2，所述方波产生电路10包括NE555芯片11、电阻网络12和参考电容C。所述电阻网络12包括电阻矩阵121及与所述电阻矩阵121连接的第一多路开关123。所述电阻矩阵121包括多个阻值不同的电阻。所述第一多路开关123包括多个与所述电阻一一对应的第一开关及控制多个所述第一开关的第一控制芯片。多个所述电阻并联。
待测电容Cx的一端与所述NE555芯片11的2引脚和6引脚连接、另一端接地。所述电阻网络12的一端与所述NE555芯片11的2引脚和6引脚连接、另一端与电源VCC连接。所述第一多路开关123的第一控制芯片与所述单片机51连接。所述参考电容C的一端与所述NE555芯片11的5引脚连接、另一端接地。所述NE555芯片11的8引脚和4引脚与所述电源VCC连接。所述NE555芯片11的3引脚与所述波形整形电路30连接。所述单片机最小系统50与所述波形整形电路30和所述显示器70分别连接。
所述方波产生电路10产生的方波信号的频率与待测电容Cx的电容值相关，其满足以下运算关系。
式中，f表示方波产生电路10产生的方波信号的频率，R表示电阻矩阵121接入的电阻的阻值，CX表示待测电容Cx的电容值。
因此，选定电阻矩阵121接入的电阻的阻值，则可以根据方波产生电路10产生的方波信号的频率，计算出待测电容Cx的电容值。同时，若方波产生电路10产生的方波信号的频率的范围固定，则所述单片机51可以通过控制所述第一控制芯片选择闭合不同的所述第一开关，继而改变所述电阻矩阵121接入的电阻，调整所述多量程电容测量电路的量程，以测量不同电容值的待测电容Cx。
可选地，所述电阻矩阵121包括八个阻值不同的电阻，分别为电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8。所述第一多路开关123包括八个与所述电阻一一对应的第一开关及控制八个所述第一开关的第一控制芯片。所述第一开关有八个，分别为开关S0、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6和开关S7。八个所述第一开关与八个所述电阻一一对应连接。
可选地，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8可采用0805封装的精密贴片电阻。实际使用时，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值可以采用市场上五位半万用表进行实测，并将该测试值输入到单片机51中进行内部计算。
可选地，所述第一多路开关123为单8通道数字控制模拟电子开关CD4051。CD4051由三个引脚ABC组成一定的逻辑值可控制不同的开关输出，例如：当ABC＝000时，则开关S0闭合，开关S1至开关S7断开，则电阻R1接入到电路中。ABC的电平值可由单片机51通过IO引脚控制第一控制芯片进行控制。
可选地，在本实施例中，方波产生电路10还包括误差补偿模块13。所述误差补偿模块13包括电容矩阵131及与所述电容矩阵131连接的第二多路开关133。所述电容矩阵131包括多个电容值不同的标准电容，所述第二多路开关133包括多个与所述标准电容一一对应的第二开关及控制多个所述第二开关的第二控制芯片，多个所述标准电容并联。所误差补偿模块13一端与所述NE555芯片11的2引脚和6引脚连接、另一端接地。所述第二多路开关133的第二控制芯片与所述单片机51连接。
所述单片机51预存有与多个所述标准电容一一对应的理论脉冲频率，所述单片机51控制所述第二控制芯片选择闭合不同的所述第二开关，继而改变所述电容矩阵131接入的标准电容，获得多个实际脉冲频率，根据实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系进行误差补偿。
可选地，所述电容矩阵131包括八个电容值不同的标准电容，分别为标准电容C1、标准电容C2、标准电容C3、标准电容C4、标准电容C5、标准电容C6、标准电容C7和标准电容C8。所述第二多路开关133包括八个与所述标准电容一一对应的第二开关及控制八个所述第二开关的第二控制芯片。所述第二开关有八个，分别为开关S8、开关S9、开关S10、开关S11、开关S12、开关S13、开关S14和开关S15。八个所述第二开关与八个所述标准电容一一对应连接。
可选地，所述第二多路开关133为单8通道数字控制模拟电子开关CD4051。CD4051由三个引脚ABC组成一定的逻辑值可控制不同的开关输出，例如：当ABC＝000时，则开关S8闭合，开关S9至开关S15断开，则标准电容C1接入到电路中。ABC的电平值可由单片机51通过IO引脚控制第二控制芯片进行控制。
所述波形整形电路30用于对NE555芯片11输出的波形进行整形，其输出端与单片机最小系统50连接。可选地，所述波形整形电路30包括六路施密特触发反向器74LS14。由于不同的电容值可能会导致NE555芯片11产生的方波信号失真，因而需要波形整形电路30对方波产生电路10输出的波形进行整形。所述波形整形电路30最高工作频率可达50GHz，可满足本系统波形整形的需求。
所述单片机最小系统50与所述波形整形电路30和所述显示器70分别连接。请参阅图3，所述单片机最小系统50包括电性连接的单片机51、时钟电路52、复位电路53和扩展按键54，用于实现整个电容测量过程的控制、数组采集、运算和显示。
可选地，所述单片机51为STC51单片机51。所述单片机51采用LQFP-44封装STC12C5A60S2。STC12C5A60S2采用增强型8051内核，36个普通IO口，2路16位的PCA模块，转速速度可达250K/S以及一些其它的标准外设等，完全可以满足本系统需求。
可选地，所述扩展按键54采用标准4×4键盘，用于人机交互时的输入按键。
可选地，所述显示器70为NOKIA5110显示屏。NOKIA5110显示屏仅需四根IO线即可驱动，显示速度是一般LCD12864或LCD1602的几十倍。采用NOKIA5110显示屏以代替常规的LCD1602，其具有性价比高、接口简单，速度快、工作电压低，功耗低等特点，该模块用于数据的显示以及人机交互时的输出显示。
在进行电容测量时，预估待测电容Cx的电容值，单片机51控制所述第一控制芯片选择闭合不同的所述第一开关，改变所述电阻矩阵121接入的电阻，调整所述多量程电容测量电路的量程，将待测电容Cx接入方波产生电路10进行测量。方波信号从NE555芯片11的3脚输出，经波形整形电路30进行波形整形后，送至单片机51的PCA外设引脚。在本实施例中，使用CCP0，即P1.3引脚。由单片机51对整形后的方波信号的上升沿捕获定时计数，并根据计数时间间隔和计数值计算方波脉冲的频率，发送至显示器70进行显示。最后，根据公式即可计算出待测电容Cx的电容值，并发送至显示器70进行显示。若所述多量程电容测量电路包括误差补偿模块13，则将计算出待测电容Cx的电容值经过误差补偿后发送至显示器70进行显示。当待测电容Cx的电容值不能预估时，所述可以选择从阻值较小的电阻开始接入，依次选择阻值更大的电阻直到能够较准确地测量待测电容Cx的电容值，或者单片机51任意选择接入一电阻。
实际测量时，需要对单片机51做如下设置：通过选择单片机51的内部寄存器位CPS2:CPS0＝100B，可以选择PCA外设的时钟源为内部时钟，即SYSclk。通过设置CAPP0位，设置PCA0为上升沿捕获。为保证一定的计算精度，要求NE555芯片11输出方波的频率不可太大，也不可太小。考虑到单片机51内部是针对输出脉冲做定时计数，而计数频率一般设置为SYSclk。一般单片机51控制晶振为12MHz，则SYSclk＝12MHz。前者会导致一个脉冲周期内，PCA外设计数数值过小，从而造成针对NE555芯片11的输出脉冲频率计算误差增大。PCA最大计数值为216，即65536。后者会造成一个脉冲周期内，PCA外设计数数值过大，可能导致PCA计数溢出。市场上购置的电阻精度一般约为1％，因此，只需要保证电容容量计算精度为1％即可。因此，为保证不溢出，而又有一定的计算精度，要求NE555芯片11输出的方波频率应大于12×106÷65536＝183.6Hz，而小于12×106×1％＝120KHz。为保持一定的裕量，NE555芯片11输出的方波频率在500Hz到50KHz之间。
可选地，在本实施例中，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值分别14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ。根据公式以及NE555芯片11输出的方波频率的范围，则可计算：
当所述电阻矩阵121接入电阻R1时，R＝14Ω，所述多量程电容测量电路的量程可以为1.03uF～103.0uF；
当所述电阻矩阵121接入电阻R2时，R＝140Ω，所述多量程电容测量电路的量程可以为0.103uF～10.3uF；
当所述电阻矩阵121接入电阻R3，R＝1.4KΩ，所述多量程电容测量电路的量程为0.0103uF～1.03uF，即10.3nF～1.03uF；
当所述电阻矩阵121接入电阻R4时，R＝14KΩ，所述多量程电容测量电路的量程为0.00103uF～0.103uF，即1.03nF～103nF；
当所述电阻矩阵121接入电阻R5时，R＝140KΩ，所述多量程电容测量电路的量程为0.000103uF～0.0103uF，即0.103nF～10.3nF；
当所述电阻矩阵121接入电阻R6时，R＝1.4MΩ，所述多量程电容测量电路的量程为0.0000103uF～0.00103uF，即10.3pF～1030pF。
因此，当所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值分别14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ时，所述多量程电容测量电路的量程为10pF到100uF。
考虑到量程之间有重叠因素，并保持一定的精度，可针对不同容值的待测电容Cx做如下选择：
当10uF<Cx<100uF时，可考虑选择接入电阻R1；
当1uF<Cx<10uF时，可考虑选择接入电阻R2；
当0.1uF<Cx<1uF时，可考虑选择接入电阻R3；
当0.01uF<Cx<0.1uF时，可考虑选择接入电阻R4；
当0.001uF<Cx<0.01uF时，可考虑选择接入电阻R5；
当Cx<0.001uF时，可考虑选择接入电阻R6。
电阻R7和电阻R8阻值待定，可用于量程扩展。
应理解，所述电阻R1可以是一个电阻也可以是多个电阻串联或并联而成。同理，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8也可以是一个电阻也可以是多个电阻串联或并联而成。
可选地，在本实施例中，标准电容C1、标准电容C2、标准电容C3、标准电容C4、标准电容C5、标准电容C6、标准电容C7和标准电容C8的电容值分别为20pF、100pF、500pF、5nF、50nF、500nF、5uF和50uF。
进行误差补偿时，可以根据测量出的待测电容Cx的电容值选择标准电容进行误差补偿。例如，当测量出的待测电容Cx的电容值是2uF，单片机51控制第一控制芯片接入电阻R2，单片机51上升沿捕获定时计数，计算方波脉冲的实际脉冲频率为f。单片机51控制第二控制芯片接入标准电容C6，单片机51上升沿捕获定时计数，计算方波脉冲的实际脉冲频率为f6。单片机51控制第二控制芯片接入标准电容C7，单片机51上升沿捕获定时计数，计算方波脉冲的实际脉冲频率为f7。设单片机51预存的标准电容C6对应的理论脉冲频率为f6′，单片机51预存的标准电容C7对应的理论脉冲频率为f7′。那么可以根据所述实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系，建立误差补偿函数。误差补偿函数可以是：
fout＝f+Δf
式中，fout表示最终频率，采用fout计算出的待测电容Cx的电容值即为误差补偿后的电容值；f表示误差补偿前单片机51测量的待测电容Cx的频率，Δf表示误差补偿值。
请参阅图4，本发明实施例还提供一种多量程电容测量方法，应用于所述多量程电容测量装置。所述单片机51预存有各个所述电阻对应的电容测量量程，所述方法包括：步骤S101、步骤S103、步骤S105、步骤S107、步骤S109和步骤S111。
步骤S101，单片机51控制所述第一控制芯片选择闭合一所述第一开关，将所述第一开关对应的电阻接入所述方波产生电路10。
步骤S103，所述方波产生电路10产生方波并发送至所述波形整形电路30。
步骤S105，所述波形整形电路30对所述方波进行整形，并将整形后的方波发送至所述单片机51。
步骤S107，所述单片机51接收所述波形整形电路30发送的方波，进行上升沿捕捉计数，并初步计算所述待测电容Cx的电容值。
步骤S109，所述单片机51判断计算的待测电容Cx的电容值是否在接入的电阻对应的电容测量量程内。
若在电容测量量程内，则执行步骤S111。
步骤S111，所述单片机51将计算的待测电容Cx的电容值确定为所述待测电容Cx的电容值，并发送至显示器70显示。
若不在电容测量量程内，则返回步骤S101。所述单片机51将另一电阻接入所述方波产生电路10，重新测量，直到计算的待测电容Cx的电容值在接入的电阻对应的电容测量量程内，将该计算的待测电容Cx的电容值确定为所述待测电容Cx的电容值。
请参阅图5，可选地，方波产生电路10还包括误差补偿模块13，所述单片机51预存有与多个所述标准电容一一对应的理论脉冲频率。在步骤S111之前，所述方法还可以包括：步骤S115、步骤S117和步骤S119。
步骤S115，所述单片机51控制所述第二控制芯片闭合不同的所述第二开关，改变所述电容矩阵131接入的标准电容，获得多个实际脉冲频率。
步骤S117，根据所述实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系，建立误差补偿函数。
步骤S119，根据误差补偿函数，对计算的待测电容Cx的电容值进行误差补偿。
请参阅图6和图7，本发明实施例还提供一种多量程电容测量装置，所述多量程电容测量装置包括封装外壳200、PCB板和上述的多量程电容测量电路。
所述封装外壳200是由顶面201、底面203、第一侧面205、第二侧面207、第三侧面209和第四侧面211围合而成的立方体结构。所述方波产生电路10、波形整形电路30、单片机最小系统50通过PCB板连接并设置在所述封装外壳200内，所述显示器70和扩展按键54设置于所述顶面201。
所述第三侧面209上设置有第一引脚2091和第二引脚2093。所述第一引脚2091与所述NE555芯片11的2引脚和6引脚分别连接，所述第二引脚2093接地。在进行电容测量时，所述待测电容Cx通过所述第一引脚2091和第二引脚2093连接在所述NE555芯片11的2引脚和6引脚与地之间。
可选地，所述第二侧面207开设有多个第一散热孔2071，所述第四侧面211开设有多个第二散热孔2111，所述多个第二散热孔2111与所述多个第一散热孔2071相对设置。所述第一侧面205设置有所述充电接头2051，用于为电容测量装置充电或供电。
可选地，所述底面203设置有多个第三散热孔2031、多个第四散热孔2033和多个减震橡胶垫2035。所述多个第三散热孔2031沿所述第二侧面207和底面203的公共边的延伸方向设置。所述多个第四散热孔2033沿所述第四侧面211和底面203的公共边的延伸方向设置。所述第三散热孔2031和第四散热孔2033分别与所述第一散热孔2071和第二散热孔2111形成对流，以加强散热。所述多个减震橡胶垫2035沿所述第一侧面205和底面203的公共边以及所述第三侧面209和底面203的公共边的延伸方向设置。采用减震橡胶垫2035起缓冲、减震的作用，可以避免封装外壳200内的电容测量电路因撞击而损坏。并且，在充电时，该减震橡胶垫2035能将电容测量装置的底面203与桌面隔开，加强通风和散热。
本发明提供的多量程电容测量电路及方法，通过单片机51控制第一控制芯片闭合不同的第一开关，改变所述电阻矩阵121接入的电阻，调整所述多量程电容测量电路的量程，以测量不同电容值的待测电容Cx。方波信号从NE555芯片11的3脚输出，经波形整形电路30进行波形整形后，送至单片机51。由单片机51对整形后的方波信号的上升沿捕获定时计数，并根据计数时间间隔和计数值计算方波脉冲的频率。最后，根据公式 即可计算出待测电容Cx的电容值，并发送至显示器70进行显示。此外，该多量程电容测量电路还包括误差补偿模块13，用于误差补偿，更精确。该多量程电容测量电路，电路简单，操作简便，测量范围可调，满足实际的应用需要。
本发明提供的多量程电容测量装置，包括上述多量程电容测量电路，因而具有与该多量程电容测量电路类似的有益效果。并且，该多量程电容测量装置通过封装外壳200巧妙地将所述多量程电容测量电路集成，使得该多量程电容测量装置便于使用且散热效果好。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多量程电容测量电路，其特征在于，包括方波产生电路(10)、波形整形电路(30)、单片机最小系统(50)及显示器(70)，所述方波产生电路(10)包括NE555芯片(11)、电阻网络(12)和参考电容(C)，所述单片机最小系统(50)包括电性连接的单片机(51)、时钟电路(52)、复位电路(53)和扩展按键(54),所述电阻网络(12)包括电阻矩阵(121)及与所述电阻矩阵(121)连接的第一多路开关(123)，所述电阻矩阵(121)包括多个阻值不同的电阻，所述第一多路开关(123)包括多个与所述电阻一一连接的第一开关及控制多个所述第一开关的第一控制芯片，多个所述电阻并联；
待测电容(Cx)的一端与所述NE555芯片(11)的2引脚和6引脚连接、另一端接地，所述电阻网络(12)的一端与所述NE555芯片(11)的2引脚和6引脚连接、另一端与电源(VCC)连接，所述第一多路开关(123)的第一控制芯片与所述单片机(51)连接，所述参考电容(C)的一端与所述NE555芯片(11)的5引脚连接、另一端接地，所述NE555芯片(11)的8引脚和4引脚与所述电源(VCC)连接，所述NE555芯片(11)的3引脚与所述波形整形电路(30)连接，所述单片机最小系统(50)与所述波形整形电路(30)和所述显示器(70)分别连接；
所述单片机(51)控制所述第一控制芯片选择闭合不同的所述第一开关，继而改变所述电阻矩阵(121)接入的电阻，从而调整所述多量程电容测量电路的量程。
2.根据权利要求1所述的多量程电容测量电路，其特征在于，所述方波产生电路(10)还包括误差补偿模块(13)，所误差补偿模块(13)包括电容矩阵(131)及与所述电容矩阵(131)连接的第二多路开关(133)，所述电容矩阵(131)包括多个电容值不同的标准电容，所述第二多路开关(133)包括多个与所述标准电容一一对应的第二开关及控制多个所述第二开关的第二控制芯片，多个所述标准电容并联；
所误差补偿模块(13)一端与所述NE555芯片(11)的2引脚和6引脚连接、另一端接地，所述第二多路开关(133)的第二控制芯片与所述单片机(51)连接；
所述单片机(51)预存有与多个所述标准电容一一对应的理论脉冲频率，所述单片机(51)控制所述第二控制芯片选择闭合不同的所述第二开关，继而改变所述电容矩阵(131)接入的标准电容，获得多个实际脉冲频率，根据实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系进行误差补偿。
3.根据权利要求2所述的多量程电容测量电路，其特征在于，所述第一多路开关(123)和所述第二多路开关(133)为单8通道数字控制模拟电子开关CD4051。
4.根据权利要求3所述的多量程电容测量电路，其特征在于，所述方波产生电路(10)的输出频率范围为500Hz到50KHz之间。
5.根据权利要求4所述的多量程电容测量电路，其特征在于，所述电阻矩阵(121)包括八个所述电阻，其中，六个所述电阻的阻值分别为14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ。
6.根据权利要求4所述的多量程电容测量电路，其特征在于，所述电容矩阵(131)包括八个电容值不同的标准电容，八个所述标准电容的电容值分别为20pF、100pF、500pF、5nF、50nF、500nF、5uF和50uF。
7.一种多量程电容测量方法，其特征在于，应用于权利要求3-6任意一项所述的多量程电容测量装置，所述单片机(51)预存有各个所述电阻对应的电容测量量程，所述方法包括：
所述单片机(51)控制所述第一控制芯片选择闭合一所述第一开关，将所述第一开关对应的电阻接入所述方波产生电路(10)；
所述方波产生电路(10)产生方波并发送至所述波形整形电路(30)；
所述波形整形电路(30)对所述方波进行整形，并将整形后的方波发送至所述单片机(51)；
所述单片机(51)接收所述波形整形电路(30)发送的方波，进行上升沿捕捉计数，并初步计算所述待测电容(Cx)的电容值；
所述单片机(51)判断计算的待测电容(Cx)的电容值是否在接入的电阻对应的电容测量量程内；
若不在电容测量量程内，则所述单片机(51)将另一电阻接入所述方波产生电路1010，重新测量，直到计算的待测电容(Cx)的电容值在接入的电阻对应的电容测量量程内，将该计算的待测电容(Cx)的电容值确定为所述待测电容(Cx)的电容值；
若在电容测量量程内，则所述单片机(51)将计算的待测电容(Cx)的电容值确定为所述待测电容(Cx)的电容值，并发送至所述显示器(70)显示。
8.根据权利要求7所述的多量程电容测量方法，其特征在于，所述单片机(51)预存有与多个所述标准电容一一对应的理论脉冲频率，所述方法还包括：
所述单片机(51)控制所述第二控制芯片闭合不同的所述第二开关，改变所述电容矩阵(131)接入的标准电容，获得多个实际脉冲频率；
根据所述实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系，建立误差补偿函数；
根据误差补偿函数，对计算的待测电容(Cx)的电容值进行误差补偿。
9.一种多量程电容测量装置，其特征在于，所述多量程电容测量装置包括封装外壳(200)、PCB板和权利要求1-6任意一项所述的多量程电容测量电路，所述封装外壳(200)是由顶面(201)、底面(203)、第一侧面(205)、第二侧面(207)、第三侧面(209)和第四侧面(211)围合而成的立方体结构，所述方波产生电路(10)、波形整形电路(30)、单片机最小系统(50)通过PCB板连接并设置在所述封装外壳(200)内，所述显示器(70)和扩展按键(54)设置于所述顶面(201)；
所述第三侧面(209)上设置有第一引脚(2091)和第二引脚(2093)，所述第一引脚(2091)与所述NE555芯片(11)的2引脚和6引脚分别连接，所述第二引脚(2093)接地，所述待测电容(Cx)通过所述第一引脚(2091)和第二引脚(2093)连接在所述NE555芯片(11)的2引脚和6引脚与地之间；
所述第二侧面(207)开设有多个第一散热孔(2071)，所述第四侧面(211)开设有多个第二散热孔(2111)，所述多个第二散热孔(2111)与所述多个第一散热孔(2071)相对设置，所述第一侧面(205)设置有充电接头(2051)。
10.根据权利要求9所述的多量程电容测量装置，其特征在于，所述底面(203)设置有多个第三散热孔(2031)、多个第四散热孔(2033)和多个减震橡胶垫(2035)，所述多个第三散热孔(2031)沿所述第二侧面(207)和底面(203)的公共边的延伸方向设置，所述多个第四散热孔(2033)沿所述第四侧面(211)和底面(203)的公共边的延伸方向设置，所述多个减震橡胶垫(2035)沿所述第一侧面(205)和底面(203)的公共边以及所述第三侧面(209)和底面(203)的公共边的延伸方向设置。
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