本發(fā)明涉及電容測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種多量程電容測(cè)量電路、裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著超精密制造及精密儀器和現(xiàn)代工業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量領(lǐng)域中，電容效應(yīng)是一個(gè)基本的測(cè)量對(duì)象。通過極板電容器的電容量測(cè)量可以獲得極板間電介質(zhì)材料的介電常數(shù)、極板間距等重要參數(shù)，在化工、農(nóng)業(yè)、材料、機(jī)械、過程控制以及管道檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前常用的電容測(cè)量?jī)x器，大多是模擬電路，如電橋電路等，其測(cè)量方法主要是通過電感耦合交流電橋、雙T網(wǎng)絡(luò)等，其能實(shí)現(xiàn)較為精密的電容測(cè)量，但是交流電橋測(cè)量時(shí)，待測(cè)電容與標(biāo)準(zhǔn)電容間容值相差較大時(shí)，會(huì)造成一定的非線性，導(dǎo)致電容測(cè)量誤差增大，因此，其無法滿足大量程范圍的電容測(cè)量需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種多量程電容測(cè)量電路、裝置及方法，以解決上述問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種多量程電容測(cè)量電路，包括方波產(chǎn)生電路、波形整形電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)及顯示器，所述方波產(chǎn)生電路包括NE555芯片、電阻網(wǎng)絡(luò)和參考電容，所述單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電性連接的單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展按鍵，所述電阻網(wǎng)絡(luò)包括電阻矩陣及與所述電阻矩陣連接的第一多路開關(guān)，所述電阻矩陣包括多個(gè)阻值不同的電阻，所述第一多路開關(guān)包括多個(gè)與所述電阻一一連接的第一開關(guān)及控制多個(gè)所述第一開關(guān)的第一控制芯片，多個(gè)所述電阻并聯(lián)；

待測(cè)電容的一端與所述NE555芯片的2引腳和6引腳連接、另一端接地，所述電阻網(wǎng)絡(luò)的一端與所述NE555芯片的2引腳和6引腳連接、另一端與電源連接，所述第一多路開關(guān)的第一控制芯片與所述單片機(jī)連接，所述參考電容的一端與所述NE555芯片的5引腳連接、另一端接地，所述NE555芯片的8引腳和4引腳與所述電源連接，所述NE555芯片的3引腳與所述波形整形電路連接，所述單片機(jī)最小系統(tǒng)與所述波形整形電路和所述顯示器分別連接；

所述單片機(jī)控制所述第一控制芯片選擇閉合不同的所述第一開關(guān)，繼而改變所述電阻矩陣接入的電阻，從而調(diào)整所述多量程電容測(cè)量電路的量程。

可選地，所述方波產(chǎn)生電路還包括誤差補(bǔ)償模塊，所誤差補(bǔ)償模塊包括電容矩陣及與所述電容矩陣連接的第二多路開關(guān)，所述電容矩陣包括多個(gè)電容值不同的標(biāo)準(zhǔn)電容，所述第二多路開關(guān)包括多個(gè)與所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)的第二開關(guān)及控制多個(gè)所述第二開關(guān)的第二控制芯片，多個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容并聯(lián)；

所誤差補(bǔ)償模塊一端與所述NE555芯片的2引腳和6引腳連接、另一端接地，所述第二多路開關(guān)的第二控制芯片與所述單片機(jī)連接；

所述單片機(jī)預(yù)存有與多個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)的理論脈沖頻率，所述單片機(jī)控制所述第二控制芯片選擇閉合不同的所述第二開關(guān)，繼而改變所述電容矩陣接入的標(biāo)準(zhǔn)電容，獲得多個(gè)實(shí)際脈沖頻率，根據(jù)實(shí)際脈沖頻率與所述理論脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

可選地，所述第一多路開關(guān)和所述第二多路開關(guān)為單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051。

可選地，所述方波產(chǎn)生電路的輸出頻率范圍為500Hz到50KHz之間。

可選地，所述電阻矩陣包括八個(gè)所述電阻，其中，六個(gè)所述電阻的阻值分別為14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ。

可選地，所述電容矩陣包括八個(gè)電容值不同的標(biāo)準(zhǔn)電容，八個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容的電容值分別為20pF、100pF、500pF、5nF、50nF、500nF、5uF和50uF。

一種多量程電容測(cè)量方法，應(yīng)用于上述的多量程電容測(cè)量裝置，所述單片機(jī)預(yù)存有各個(gè)所述電阻對(duì)應(yīng)的電容測(cè)量量程，所述方法包括：

所述單片機(jī)控制所述第一控制芯片選擇閉合一所述第一開關(guān)，將所述第一開關(guān)對(duì)應(yīng)的電阻接入所述方波產(chǎn)生電路；

所述方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波并發(fā)送至所述波形整形電路；

所述波形整形電路對(duì)所述方波進(jìn)行整形，并將整形后的方波發(fā)送至所述單片機(jī)；

所述單片機(jī)接收所述波形整形電路發(fā)送的方波，進(jìn)行上升沿捕捉計(jì)數(shù)，并初步計(jì)算所述待測(cè)電容的電容值；

所述單片機(jī)判斷計(jì)算的待測(cè)電容的電容值是否在接入的電阻對(duì)應(yīng)的電容測(cè)量量程內(nèi)；

若不在電容測(cè)量量程內(nèi)，則所述單片機(jī)將另一電阻接入所述方波產(chǎn)生電路，重新測(cè)量，直到計(jì)算的待測(cè)電容的電容值在接入的電阻對(duì)應(yīng)的電容測(cè)量量程內(nèi)，將該計(jì)算的待測(cè)電容的電容值確定為所述待測(cè)電容的電容值；

若在電容測(cè)量量程內(nèi)，則所述單片機(jī)將計(jì)算的待測(cè)電容的電容值確定為所述待測(cè)電容的電容值，并發(fā)送至所述顯示器顯示。。

可選地，所述單片機(jī)預(yù)存有與多個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)的理論脈沖頻率，所述方法還包括：

所述單片機(jī)控制所述第二控制芯片閉合不同的所述第二開關(guān)，改變所述電容矩陣接入的標(biāo)準(zhǔn)電容，獲得多個(gè)實(shí)際脈沖頻率；

根據(jù)所述實(shí)際脈沖頻率與所述理論脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系，建立誤差補(bǔ)償函數(shù)；

根據(jù)誤差補(bǔ)償函數(shù)，對(duì)計(jì)算的待測(cè)電容的電容值進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

一種多量程電容測(cè)量裝置，所述多量程電容測(cè)量裝置包括封裝外殼、PCB板和上述的多量程電容測(cè)量電路，所述封裝外殼是由頂面、底面、第一側(cè)面、第二側(cè)面、第三側(cè)面、和第四側(cè)面圍合而成的立方體結(jié)構(gòu)，所述方波產(chǎn)生電路、波形整形電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)通過PCB板連接并設(shè)置在所述封裝外殼內(nèi)，所述顯示器和擴(kuò)展按鍵設(shè)置于所述頂面；

所述第三側(cè)面上設(shè)置有第一引腳和第二引腳，所述第一引腳與所述NE555芯片的2引腳和6引腳分別連接，所述第二引腳接地，所述待測(cè)電容通過所述第一引腳和第二引腳連接在所述NE555芯片的2引腳和6引腳與地之間；

所述第二側(cè)面開設(shè)有多個(gè)第一散熱孔，所述第四側(cè)面開設(shè)有多個(gè)第二散熱孔，所述多個(gè)第二散熱孔與所述多個(gè)第一散熱孔相對(duì)設(shè)置，所述第一側(cè)面設(shè)置有充電接頭。

可選地，所述底面設(shè)置有多個(gè)第三散熱孔、多個(gè)第四散熱孔和多個(gè)減震橡膠墊，所述多個(gè)第三散熱孔沿所述第二側(cè)面和底面的公共邊的延伸方向設(shè)置，所述多個(gè)第四散熱孔沿所述第四側(cè)面和底面的公共邊的延伸方向設(shè)置，所述多個(gè)減震橡膠墊沿所述第一側(cè)面和底面的公共邊以及所述第三側(cè)面和底面的公共邊的延伸方向設(shè)置。

本發(fā)明提供的多量程電容測(cè)量電路、裝置及方法，通過單片機(jī)控制第一控制芯片閉合不同的第一開關(guān)，改變所述電阻矩陣接入的電阻，調(diào)整所述多量程電容測(cè)量電路的量程，以測(cè)量不同電容值的待測(cè)電容。方波信號(hào)從NE555芯片的3腳輸出，經(jīng)波形整形電路進(jìn)行波形整形后，送至單片機(jī)。由單片機(jī)對(duì)整形后的方波信號(hào)的上升沿捕獲定時(shí)計(jì)數(shù)，并根據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)間間隔和計(jì)數(shù)值計(jì)算方波脈沖的頻率。最后，根據(jù)公式即可計(jì)算出待測(cè)電容的電容值，并發(fā)送至顯示器進(jìn)行顯示。該多量程電容測(cè)量電路，電路簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量范圍可調(diào)，滿足實(shí)際的應(yīng)用需要。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對(duì)范圍的限定，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種多量程電容測(cè)量電路的方框示意圖。

圖2為圖1中方波產(chǎn)生電路的電路連接圖。

圖3為圖1中單片機(jī)最小系統(tǒng)的方框示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種多量程電容測(cè)量方法的流程圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種多量程電容測(cè)量方法的流程圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種多量程電容測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種多量程電容測(cè)量裝置的另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖標(biāo)：10-方波產(chǎn)生電路；30-波形整形電路；50-單片機(jī)最小系統(tǒng)；70-顯示器；11-NE555芯片；12-電阻網(wǎng)絡(luò)；C-參考電容；VCC-電源；Cx-待測(cè)電容；121-電阻矩陣；123-第一多路開關(guān)；13-誤差補(bǔ)償模塊；131-電容矩陣；133-第二多路開關(guān)；51-單片機(jī)；52-時(shí)鐘電路；53-復(fù)位電路；54-擴(kuò)展按鍵；200-封裝外殼；201-頂面；203-底面；205-第一側(cè)面；207-第二側(cè)面；209-第三側(cè)面；211-第四側(cè)面；2091-第一引腳；2093-第二引腳；2071-第一散熱孔；2111-第二散熱孔；2051-充電接頭；2031-第三散熱孔；2033-第四散熱孔；2035-減震橡膠墊。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。

因此，以下對(duì)在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為只是或暗示相對(duì)重要性。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供一種多量程電容測(cè)量電路，方波產(chǎn)生電路10、波形整形電路30、單片機(jī)最小系統(tǒng)50及顯示器70。

請(qǐng)參閱圖2，所述方波產(chǎn)生電路10包括NE555芯片11、電阻網(wǎng)絡(luò)12和參考電容C。所述電阻網(wǎng)絡(luò)12包括電阻矩陣121及與所述電阻矩陣121連接的第一多路開關(guān)123。所述電阻矩陣121包括多個(gè)阻值不同的電阻。所述第一多路開關(guān)123包括多個(gè)與所述電阻一一對(duì)應(yīng)的第一開關(guān)及控制多個(gè)所述第一開關(guān)的第一控制芯片。多個(gè)所述電阻并聯(lián)。

待測(cè)電容Cx的一端與所述NE555芯片11的2引腳和6引腳連接、另一端接地。所述電阻網(wǎng)絡(luò)12的一端與所述NE555芯片11的2引腳和6引腳連接、另一端與電源VCC連接。所述第一多路開關(guān)123的第一控制芯片與所述單片機(jī)51連接。所述參考電容C的一端與所述NE555芯片11的5引腳連接、另一端接地。所述NE555芯片11的8引腳和4引腳與所述電源VCC連接。所述NE555芯片11的3引腳與所述波形整形電路30連接。所述單片機(jī)最小系統(tǒng)50與所述波形整形電路30和所述顯示器70分別連接。

所述方波產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的方波信號(hào)的頻率與待測(cè)電容Cx的電容值相關(guān)，其滿足以下運(yùn)算關(guān)系。

式中，f表示方波產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的方波信號(hào)的頻率，R表示電阻矩陣121接入的電阻的阻值，CX表示待測(cè)電容Cx的電容值。

因此，選定電阻矩陣121接入的電阻的阻值，則可以根據(jù)方波產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的方波信號(hào)的頻率，計(jì)算出待測(cè)電容Cx的電容值。同時(shí)，若方波產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的方波信號(hào)的頻率的范圍固定，則所述單片機(jī)51可以通過控制所述第一控制芯片選擇閉合不同的所述第一開關(guān)，繼而改變所述電阻矩陣121接入的電阻，調(diào)整所述多量程電容測(cè)量電路的量程，以測(cè)量不同電容值的待測(cè)電容Cx。

可選地，所述電阻矩陣121包括八個(gè)阻值不同的電阻，分別為電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7和電阻R8。所述第一多路開關(guān)123包括八個(gè)與所述電阻一一對(duì)應(yīng)的第一開關(guān)及控制八個(gè)所述第一開關(guān)的第一控制芯片。所述第一開關(guān)有八個(gè)，分別為開關(guān)S0、開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān)S6和開關(guān)S7。八個(gè)所述第一開關(guān)與八個(gè)所述電阻一一對(duì)應(yīng)連接。

可選地，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7和電阻R8可采用0805封裝的精密貼片電阻。實(shí)際使用時(shí)，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7和電阻R8的阻值可以采用市場(chǎng)上五位半萬用表進(jìn)行實(shí)測(cè)，并將該測(cè)試值輸入到單片機(jī)51中進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算。

可選地，所述第一多路開關(guān)123為單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051。CD4051由三個(gè)引腳ABC組成一定的邏輯值可控制不同的開關(guān)輸出，例如：當(dāng)ABC＝000時(shí)，則開關(guān)S0閉合，開關(guān)S1至開關(guān)S7斷開，則電阻R1接入到電路中。ABC的電平值可由單片機(jī)51通過IO引腳控制第一控制芯片進(jìn)行控制。

可選地，在本實(shí)施例中，方波產(chǎn)生電路10還包括誤差補(bǔ)償模塊13。所述誤差補(bǔ)償模塊13包括電容矩陣131及與所述電容矩陣131連接的第二多路開關(guān)133。所述電容矩陣131包括多個(gè)電容值不同的標(biāo)準(zhǔn)電容，所述第二多路開關(guān)133包括多個(gè)與所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)的第二開關(guān)及控制多個(gè)所述第二開關(guān)的第二控制芯片，多個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容并聯(lián)。所誤差補(bǔ)償模塊13一端與所述NE555芯片11的2引腳和6引腳連接、另一端接地。所述第二多路開關(guān)133的第二控制芯片與所述單片機(jī)51連接。

所述單片機(jī)51預(yù)存有與多個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)的理論脈沖頻率，所述單片機(jī)51控制所述第二控制芯片選擇閉合不同的所述第二開關(guān)，繼而改變所述電容矩陣131接入的標(biāo)準(zhǔn)電容，獲得多個(gè)實(shí)際脈沖頻率，根據(jù)實(shí)際脈沖頻率與所述理論脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

可選地，所述電容矩陣131包括八個(gè)電容值不同的標(biāo)準(zhǔn)電容，分別為標(biāo)準(zhǔn)電容C1、標(biāo)準(zhǔn)電容C2、標(biāo)準(zhǔn)電容C3、標(biāo)準(zhǔn)電容C4、標(biāo)準(zhǔn)電容C5、標(biāo)準(zhǔn)電容C6、標(biāo)準(zhǔn)電容C7和標(biāo)準(zhǔn)電容C8。所述第二多路開關(guān)133包括八個(gè)與所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)的第二開關(guān)及控制八個(gè)所述第二開關(guān)的第二控制芯片。所述第二開關(guān)有八個(gè)，分別為開關(guān)S8、開關(guān)S9、開關(guān)S10、開關(guān)S11、開關(guān)S12、開關(guān)S13、開關(guān)S14和開關(guān)S15。八個(gè)所述第二開關(guān)與八個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)連接。

可選地，所述第二多路開關(guān)133為單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051。CD4051由三個(gè)引腳ABC組成一定的邏輯值可控制不同的開關(guān)輸出，例如：當(dāng)ABC＝000時(shí)，則開關(guān)S8閉合，開關(guān)S9至開關(guān)S15斷開，則標(biāo)準(zhǔn)電容C1接入到電路中。ABC的電平值可由單片機(jī)51通過IO引腳控制第二控制芯片進(jìn)行控制。

所述波形整形電路30用于對(duì)NE555芯片11輸出的波形進(jìn)行整形，其輸出端與單片機(jī)最小系統(tǒng)50連接?？蛇x地，所述波形整形電路30包括六路施密特觸發(fā)反向器74LS14。由于不同的電容值可能會(huì)導(dǎo)致NE555芯片11產(chǎn)生的方波信號(hào)失真，因而需要波形整形電路30對(duì)方波產(chǎn)生電路10輸出的波形進(jìn)行整形。所述波形整形電路30最高工作頻率可達(dá)50GHz，可滿足本系統(tǒng)波形整形的需求。

所述單片機(jī)最小系統(tǒng)50與所述波形整形電路30和所述顯示器70分別連接。請(qǐng)參閱圖3，所述單片機(jī)最小系統(tǒng)50包括電性連接的單片機(jī)51、時(shí)鐘電路52、復(fù)位電路53和擴(kuò)展按鍵54，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電容測(cè)量過程的控制、數(shù)組采集、運(yùn)算和顯示。

可選地，所述單片機(jī)51為STC51單片機(jī)51。所述單片機(jī)51采用LQFP-44封裝STC12C5A60S2。STC12C5A60S2采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，36個(gè)普通IO口，2路16位的PCA模塊，轉(zhuǎn)速速度可達(dá)250K/S以及一些其它的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)等，完全可以滿足本系統(tǒng)需求。

可選地，所述擴(kuò)展按鍵54采用標(biāo)準(zhǔn)4×4鍵盤，用于人機(jī)交互時(shí)的輸入按鍵。

可選地，所述顯示器70為NOKIA5110顯示屏。NOKIA5110顯示屏僅需四根IO線即可驅(qū)動(dòng)，顯示速度是一般LCD12864或LCD1602的幾十倍。采用NOKIA5110顯示屏以代替常規(guī)的LCD1602，其具有性價(jià)比高、接口簡(jiǎn)單，速度快、工作電壓低，功耗低等特點(diǎn)，該模塊用于數(shù)據(jù)的顯示以及人機(jī)交互時(shí)的輸出顯示。

在進(jìn)行電容測(cè)量時(shí)，預(yù)估待測(cè)電容Cx的電容值，單片機(jī)51控制所述第一控制芯片選擇閉合不同的所述第一開關(guān)，改變所述電阻矩陣121接入的電阻，調(diào)整所述多量程電容測(cè)量電路的量程，將待測(cè)電容Cx接入方波產(chǎn)生電路10進(jìn)行測(cè)量。方波信號(hào)從NE555芯片11的3腳輸出，經(jīng)波形整形電路30進(jìn)行波形整形后，送至單片機(jī)51的PCA外設(shè)引腳。在本實(shí)施例中，使用CCP0，即P1.3引腳。由單片機(jī)51對(duì)整形后的方波信號(hào)的上升沿捕獲定時(shí)計(jì)數(shù)，并根據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)間間隔和計(jì)數(shù)值計(jì)算方波脈沖的頻率，發(fā)送至顯示器70進(jìn)行顯示。最后，根據(jù)公式即可計(jì)算出待測(cè)電容Cx的電容值，并發(fā)送至顯示器70進(jìn)行顯示。若所述多量程電容測(cè)量電路包括誤差補(bǔ)償模塊13，則將計(jì)算出待測(cè)電容Cx的電容值經(jīng)過誤差補(bǔ)償后發(fā)送至顯示器70進(jìn)行顯示。當(dāng)待測(cè)電容Cx的電容值不能預(yù)估時(shí)，所述可以選擇從阻值較小的電阻開始接入，依次選擇阻值更大的電阻直到能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量待測(cè)電容Cx的電容值，或者單片機(jī)51任意選擇接入一電阻。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要對(duì)單片機(jī)51做如下設(shè)置：通過選擇單片機(jī)51的內(nèi)部寄存器位CPS2:CPS0＝100B，可以選擇PCA外設(shè)的時(shí)鐘源為內(nèi)部時(shí)鐘，即SYSclk。通過設(shè)置CAPP0位，設(shè)置PCA0為上升沿捕獲。為保證一定的計(jì)算精度，要求NE555芯片11輸出方波的頻率不可太大，也不可太小?？紤]到單片機(jī)51內(nèi)部是針對(duì)輸出脈沖做定時(shí)計(jì)數(shù)，而計(jì)數(shù)頻率一般設(shè)置為SYSclk。一般單片機(jī)51控制晶振為12MHz，則SYSclk＝12MHz。前者會(huì)導(dǎo)致一個(gè)脈沖周期內(nèi)，PCA外設(shè)計(jì)數(shù)數(shù)值過小，從而造成針對(duì)NE555芯片11的輸出脈沖頻率計(jì)算誤差增大。PCA最大計(jì)數(shù)值為216，即65536。后者會(huì)造成一個(gè)脈沖周期內(nèi)，PCA外設(shè)計(jì)數(shù)數(shù)值過大，可能導(dǎo)致PCA計(jì)數(shù)溢出。市場(chǎng)上購(gòu)置的電阻精度一般約為1％，因此，只需要保證電容容量計(jì)算精度為1％即可。因此，為保證不溢出，而又有一定的計(jì)算精度，要求NE555芯片11輸出的方波頻率應(yīng)大于12×10⁶÷65536＝183.6Hz，而小于12×10⁶×1％＝120KHz。為保持一定的裕量，NE555芯片11輸出的方波頻率在500Hz到50KHz之間。

可選地，在本實(shí)施例中，所述電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5和電阻R6的阻值分別14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ。根據(jù)公式以及NE555芯片11輸出的方波頻率的范圍，則可計(jì)算：

當(dāng)所述電阻矩陣121接入電阻R1時(shí)，R＝14Ω，所述多量程電容測(cè)量電路的量程可以為1.03uF～103.0uF；

當(dāng)所述電阻矩陣121接入電阻R2時(shí)，R＝140Ω，所述多量程電容測(cè)量電路的量程可以為0.103uF～10.3uF；

當(dāng)所述電阻矩陣121接入電阻R3，R＝1.4KΩ，所述多量程電容測(cè)量電路的量程為0.0103uF～1.03uF，即10.3nF～1.03uF；

當(dāng)所述電阻矩陣121接入電阻R4時(shí)，R＝14KΩ，所述多量程電容測(cè)量電路的量程為0.00103uF～0.103uF，即1.03nF～103nF；

當(dāng)所述電阻矩陣121接入電阻R5時(shí)，R＝140KΩ，所述多量程電容測(cè)量電路的量程為0.000103uF～0.0103uF，即0.103nF～10.3nF；

當(dāng)所述電阻矩陣121接入電阻R6時(shí)，R＝1.4MΩ，所述多量程電容測(cè)量電路的量程為0.0000103uF～0.00103uF，即10.3pF～1030pF。

因此，當(dāng)所述電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5和電阻R6的阻值分別14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ時(shí)，所述多量程電容測(cè)量電路的量程為10pF到100uF。

考慮到量程之間有重疊因素，并保持一定的精度，可針對(duì)不同容值的待測(cè)電容Cx做如下選擇：

當(dāng)10uF<Cx<100uF時(shí)，可考慮選擇接入電阻R1；

當(dāng)1uF<Cx<10uF時(shí)，可考慮選擇接入電阻R2；

當(dāng)0.1uF<Cx<1uF時(shí)，可考慮選擇接入電阻R3；

當(dāng)0.01uF<Cx<0.1uF時(shí)，可考慮選擇接入電阻R4；

當(dāng)0.001uF<Cx<0.01uF時(shí)，可考慮選擇接入電阻R5；

當(dāng)Cx<0.001uF時(shí)，可考慮選擇接入電阻R6。

電阻R7和電阻R8阻值待定，可用于量程擴(kuò)展。

應(yīng)理解，所述電阻R1可以是一個(gè)電阻也可以是多個(gè)電阻串聯(lián)或并聯(lián)而成。同理，電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7和電阻R8也可以是一個(gè)電阻也可以是多個(gè)電阻串聯(lián)或并聯(lián)而成。

可選地，在本實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn)電容C1、標(biāo)準(zhǔn)電容C2、標(biāo)準(zhǔn)電容C3、標(biāo)準(zhǔn)電容C4、標(biāo)準(zhǔn)電容C5、標(biāo)準(zhǔn)電容C6、標(biāo)準(zhǔn)電容C7和標(biāo)準(zhǔn)電容C8的電容值分別為20pF、100pF、500pF、5nF、50nF、500nF、5uF和50uF。

進(jìn)行誤差補(bǔ)償時(shí)，可以根據(jù)測(cè)量出的待測(cè)電容Cx的電容值選擇標(biāo)準(zhǔn)電容進(jìn)行誤差補(bǔ)償。例如，當(dāng)測(cè)量出的待測(cè)電容Cx的電容值是2uF，單片機(jī)51控制第一控制芯片接入電阻R2，單片機(jī)51上升沿捕獲定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算方波脈沖的實(shí)際脈沖頻率為f。單片機(jī)51控制第二控制芯片接入標(biāo)準(zhǔn)電容C6，單片機(jī)51上升沿捕獲定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算方波脈沖的實(shí)際脈沖頻率為f6。單片機(jī)51控制第二控制芯片接入標(biāo)準(zhǔn)電容C7，單片機(jī)51上升沿捕獲定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算方波脈沖的實(shí)際脈沖頻率為f7。設(shè)單片機(jī)51預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)電容C6對(duì)應(yīng)的理論脈沖頻率為f6′，單片機(jī)51預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)電容C7對(duì)應(yīng)的理論脈沖頻率為f7′。那么可以根據(jù)所述實(shí)際脈沖頻率與所述理論脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系，建立誤差補(bǔ)償函數(shù)。誤差補(bǔ)償函數(shù)可以是：

f_out＝f+Δf

式中，f_out表示最終頻率，采用f_out計(jì)算出的待測(cè)電容Cx的電容值即為誤差補(bǔ)償后的電容值；f表示誤差補(bǔ)償前單片機(jī)51測(cè)量的待測(cè)電容Cx的頻率，Δf表示誤差補(bǔ)償值。

請(qǐng)參閱圖4，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種多量程電容測(cè)量方法，應(yīng)用于所述多量程電容測(cè)量裝置。所述單片機(jī)51預(yù)存有各個(gè)所述電阻對(duì)應(yīng)的電容測(cè)量量程，所述方法包括：步驟S101、步驟S103、步驟S105、步驟S107、步驟S109和步驟S111。

步驟S101，單片機(jī)51控制所述第一控制芯片選擇閉合一所述第一開關(guān)，將所述第一開關(guān)對(duì)應(yīng)的電阻接入所述方波產(chǎn)生電路10。

步驟S103，所述方波產(chǎn)生電路10產(chǎn)生方波并發(fā)送至所述波形整形電路30。

步驟S105，所述波形整形電路30對(duì)所述方波進(jìn)行整形，并將整形后的方波發(fā)送至所述單片機(jī)51。

步驟S107，所述單片機(jī)51接收所述波形整形電路30發(fā)送的方波，進(jìn)行上升沿捕捉計(jì)數(shù)，并初步計(jì)算所述待測(cè)電容Cx的電容值。

步驟S109，所述單片機(jī)51判斷計(jì)算的待測(cè)電容Cx的電容值是否在接入的電阻對(duì)應(yīng)的電容測(cè)量量程內(nèi)。

若在電容測(cè)量量程內(nèi)，則執(zhí)行步驟S111。

步驟S111，所述單片機(jī)51將計(jì)算的待測(cè)電容Cx的電容值確定為所述待測(cè)電容Cx的電容值，并發(fā)送至顯示器70顯示。

若不在電容測(cè)量量程內(nèi)，則返回步驟S101。所述單片機(jī)51將另一電阻接入所述方波產(chǎn)生電路10，重新測(cè)量，直到計(jì)算的待測(cè)電容Cx的電容值在接入的電阻對(duì)應(yīng)的電容測(cè)量量程內(nèi)，將該計(jì)算的待測(cè)電容Cx的電容值確定為所述待測(cè)電容Cx的電容值。

請(qǐng)參閱圖5，可選地，方波產(chǎn)生電路10還包括誤差補(bǔ)償模塊13，所述單片機(jī)51預(yù)存有與多個(gè)所述標(biāo)準(zhǔn)電容一一對(duì)應(yīng)的理論脈沖頻率。在步驟S111之前，所述方法還可以包括：步驟S115、步驟S117和步驟S119。

步驟S115，所述單片機(jī)51控制所述第二控制芯片閉合不同的所述第二開關(guān)，改變所述電容矩陣131接入的標(biāo)準(zhǔn)電容，獲得多個(gè)實(shí)際脈沖頻率。

步驟S117，根據(jù)所述實(shí)際脈沖頻率與所述理論脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系，建立誤差補(bǔ)償函數(shù)。

步驟S119，根據(jù)誤差補(bǔ)償函數(shù)，對(duì)計(jì)算的待測(cè)電容Cx的電容值進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

請(qǐng)參閱圖6和圖7，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種多量程電容測(cè)量裝置，所述多量程電容測(cè)量裝置包括封裝外殼200、PCB板和上述的多量程電容測(cè)量電路。

所述封裝外殼200是由頂面201、底面203、第一側(cè)面205、第二側(cè)面207、第三側(cè)面209和第四側(cè)面211圍合而成的立方體結(jié)構(gòu)。所述方波產(chǎn)生電路10、波形整形電路30、單片機(jī)最小系統(tǒng)50通過PCB板連接并設(shè)置在所述封裝外殼200內(nèi)，所述顯示器70和擴(kuò)展按鍵54設(shè)置于所述頂面201。

所述第三側(cè)面209上設(shè)置有第一引腳2091和第二引腳2093。所述第一引腳2091與所述NE555芯片11的2引腳和6引腳分別連接，所述第二引腳2093接地。在進(jìn)行電容測(cè)量時(shí)，所述待測(cè)電容Cx通過所述第一引腳2091和第二引腳2093連接在所述NE555芯片11的2引腳和6引腳與地之間。

可選地，所述第二側(cè)面207開設(shè)有多個(gè)第一散熱孔2071，所述第四側(cè)面211開設(shè)有多個(gè)第二散熱孔2111，所述多個(gè)第二散熱孔2111與所述多個(gè)第一散熱孔2071相對(duì)設(shè)置。所述第一側(cè)面205設(shè)置有所述充電接頭2051，用于為電容測(cè)量裝置充電或供電。

可選地，所述底面203設(shè)置有多個(gè)第三散熱孔2031、多個(gè)第四散熱孔2033和多個(gè)減震橡膠墊2035。所述多個(gè)第三散熱孔2031沿所述第二側(cè)面207和底面203的公共邊的延伸方向設(shè)置。所述多個(gè)第四散熱孔2033沿所述第四側(cè)面211和底面203的公共邊的延伸方向設(shè)置。所述第三散熱孔2031和第四散熱孔2033分別與所述第一散熱孔2071和第二散熱孔2111形成對(duì)流，以加強(qiáng)散熱。所述多個(gè)減震橡膠墊2035沿所述第一側(cè)面205和底面203的公共邊以及所述第三側(cè)面209和底面203的公共邊的延伸方向設(shè)置。采用減震橡膠墊2035起緩沖、減震的作用，可以避免封裝外殼200內(nèi)的電容測(cè)量電路因撞擊而損壞。并且，在充電時(shí)，該減震橡膠墊2035能將電容測(cè)量裝置的底面203與桌面隔開，加強(qiáng)通風(fēng)和散熱。

本發(fā)明提供的多量程電容測(cè)量電路及方法，通過單片機(jī)51控制第一控制芯片閉合不同的第一開關(guān)，改變所述電阻矩陣121接入的電阻，調(diào)整所述多量程電容測(cè)量電路的量程，以測(cè)量不同電容值的待測(cè)電容Cx。方波信號(hào)從NE555芯片11的3腳輸出，經(jīng)波形整形電路30進(jìn)行波形整形后，送至單片機(jī)51。由單片機(jī)51對(duì)整形后的方波信號(hào)的上升沿捕獲定時(shí)計(jì)數(shù)，并根據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)間間隔和計(jì)數(shù)值計(jì)算方波脈沖的頻率。最后，根據(jù)公式即可計(jì)算出待測(cè)電容Cx的電容值，并發(fā)送至顯示器70進(jìn)行顯示。此外，該多量程電容測(cè)量電路還包括誤差補(bǔ)償模塊13，用于誤差補(bǔ)償，更精確。該多量程電容測(cè)量電路，電路簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量范圍可調(diào)，滿足實(shí)際的應(yīng)用需要。

本發(fā)明提供的多量程電容測(cè)量裝置，包括上述多量程電容測(cè)量電路，因而具有與該多量程電容測(cè)量電路類似的有益效果。并且，該多量程電容測(cè)量裝置通過封裝外殼200巧妙地將所述多量程電容測(cè)量電路集成，使得該多量程電容測(cè)量裝置便于使用且散熱效果好。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接?？梢允菣C(jī)械連接，也可以是電性連接?？梢允侵苯酉噙B，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時(shí)慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。