CN206684233U - 电容测量电路及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电容测量电路及装置。该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。方波产生电路包括NE555芯片、振荡电阻和参考电容。待测电容的一端与NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端接地。振荡电阻的一端与NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端与电源连接。参考电容的一端与NE555芯片的5引脚连接、另一端接地。NE555芯片的8引脚和4引脚与电源连接。NE555芯片的3引脚与波形整形电路连接，单片机最小系统与波形整形电路和显示器分别连接。该电容测量电路及装置电路简单，操作简便，测量范围可调，满足实际应用需要。

Description

电容测量电路及装置

技术领域

本实用新型涉及电容测量技术领域，具体而言，涉及一种电容测量电路及装置。

背景技术

随着电子技术的快速发展，便捷的电容测量方法的需求越来越迫切，市场上大多常见的电容容量多在纳法级，目前常用的电容测量仪器，大多是模拟电路，如电桥电路等，其测量方法主要时通过电感耦合交流电桥、双T网络等。这些方法虽然能进行精密电容测量，但是需要有高精度的标准电容和熟练的调节平衡，仪器结构复杂，操作不便，难以满足实际的应用需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电容测量电路及装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电容测量电路，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、振荡电阻和参考电容，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；

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，所述振荡电阻的一端与所述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。

可选地，所述方波产生电路的输出频率在500Hz到50KHz之间。

可选地，所述波形整形电路包括六路施密特触发反向器74LS14。

可选地，所述单片机为STC51单片机。

可选地，所述单片机采用LQFP-44封装的STC12C5A60S2。

可选地，所述显示器为NOKIA5110显示屏。

可选地，所述扩展按键采用标准4×4键盘。

一种电容测量装置，所述电容测量装置包括封装外壳、PCB板和上述的电容测量电路，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。

可选地，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。

本实用新型提供的电容测量电路及装置，通过设置振荡电阻的阻值，可使NE555芯片输出不同频率的方波信号，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，根据方波脉冲的频率与待测电容的电容值的函数关系，即可计算出待测电容的电容值，并发送至显示器进行显示。该电容测量电路及装置，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实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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为本实用新型实施例提供的一种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为本实用新型实施例提供的一种电容测量装置的结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的一种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；C1-参考电容；R1-振荡电阻；51-单片机；52-时钟电路；53-复位电路；54-扩展按键；Cx-待测电容；VCC-电源；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

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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。在本实用新型的描述中，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，本实用新型实施例提供一种电容测量电路，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。

请参阅图2，所述方波产生电路10包括NE555芯片11、振荡电阻R1和参考电容C1。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。所述振荡电阻R1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。所述参考电容C1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，R1表示振荡电阻R1的阻值，CX表示待测电容Cx的电容值。

因此，选定振荡电阻R1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，则可以通过改变振荡电阻R1的阻值，改变所述电容测量电路的测量量程，以测量不同电容值的待测电容Cx。

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，单片机51预存有振荡电阻R1的阻值，将待测电容Cx接入方波产生电路10，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。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。

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，可选地，在本实施例中，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，设置振荡电阻R1的阻值为7KΩ。根据公式则可计算能够测量的待测电容Cx的电容值在0.2nF到0.2uF之间。显而易见，待测电容Cx的电容值越大，则计算误差越小。

请参阅图4和图5，本实用新型实施例还提供一种电容测量装置，所述电容测量装置包括封装外壳200、PCB板和上述的电容测量电路。

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。

本实用新型提供的电容测量电路，通过设置振荡电阻R1的阻值，可使NE555芯片11输出不同频率的方波信号，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。该电容测量电路，电路简单，操作简便，测量范围可调，满足实际的应用需要。

本实用新型提供的电容测量装置包括上述电容测量电路，因而具有与该电容测量电路类似的有益效果。并且，该电容测量装置通过封装外壳200巧妙地将所述电容测量电路集成，使得该电容测量装置便于使用且散热效果好。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容测量电路，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)、振荡电阻(R1)和参考电容(C1)，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)；

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，所述振荡电阻(R1)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，所述参考电容(C1)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。

2.根据权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述方波产生电路(10)的输出频率在500Hz到50KHz之间。

3.根据权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述波形整形电路(30)包括六路施密特触发反向器74LS14。

4.根据权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述单片机(51)为STC51单片机。

5.根据权利要求4所述的电容测量电路，其特征在于，所述单片机(51)采用LQFP-44封装的STC12C5A60S2。

6.根据权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述显示器(70)为NOKIA5110显示屏。

7.根据权利要求1所述的电容测量电路，其特征在于，所述扩展按键(54)采用标准4×4键盘。

8.一种电容测量装置，其特征在于，所述电容测量装置包括封装外壳(200)、PCB板和权利要求1-7任意一项所述的电容测量电路，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。

9.根据权利要求8所述的电容测量装置，其特征在于，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。