投稿類別 : 工程技術類 篇名 : 作者 : 鄭富元 國立彰化師範大學附屬高級工業職業學校 電子科三年忠班 吳東霖 國立彰化師範大學附屬高級工業職業學校 電子科三年忠班 吳正彥 國立彰化師範大學附屬高級工業職業學校 電子科三年忠班 指導老師 : 許建斌老師
壹 前言 一 研究動機 在學校實習課程中, 知道許多的電子元件表面都有數字及色碼等表示數值的方式, 但當元件表面的數值或色碼磨損時, 只有透過精密的電表才能測得電容的正確數值 市面上指針式的三用電表只能測量電阻 電壓或電流, 若使用歐姆檔來測量電容也只能判斷電容的好壞, 卻無法測得電容值 雖然數位式電表可以測量電容, 但價格較指針式昂貴, 市面上雖然也有價格較便宜的數位電表, 但量測的電容值誤差較大, 且測量大電容時需要較久的測量時間 坊間的大電容其數值誤差較大, 對於需要準確度較高的電容的電路來說, 我們需要一台準確度較高的電容表, 以篩選正確的電容數值, 以加快實習的過程並減少測量結果的誤差 於是我們希望結合 555 單穩態和無穩態電路及 8051 單晶片電路, 來完成一台準確度高及測量速度快的數位電容表 二 研究目的 本研究的主要目的在利用 8051 來控制 555 單穩態和無穩態電路, 進而測出 待測電容值, 並且將數值顯示在 LCD 模組上 研究後, 自行製作出一台數位電 容表, 本電容表的量測範圍介於 0.1uF 至 500uF 之間 貳 正文 本單元將在第一部分介紹完整系統方塊圖, 接下來的第二 三部分將分別探 討脈波產生電路以及測量電路, 最後介紹成品與測量結果 一 電容測量系統 圖 1 為電容測量系統方塊圖, 其中的脈波產生電路用來接收控制訊號並產生振盪脈波, 單晶片用來送出控制訊號及接收振盪脈波接收脈波頻率則透過 LCD 顯示出來 脈波數即是待測電容值 測量電容時, 必須按一下測量開關, 電路才會開始有動作 1
圖 1 數位電容表系統方塊圖 二 單穩態及無穩態電路 ( 一 ) NE555 IC NE555 的工作溫度範圍在 0-70 C, 而軍用的則可從 -55 到 +125 C 其工作模式 有無穩態模式 單穩態模式和雙穩態模式 [1] 本研究及利用無穩態以及單穩態模式 做成脈波產生電路 ( 二 )555 無穩態電路 無穩態電路在正常動作的情況下, 其輸出狀態將不斷地做變化 NE555 之無 穩態電路的輸出在正常動作時輸出會在高態和低態兩種狀態中的不斷的變化 其 振盪週期的公式為 T=0.693*(R1+2R2)*C1[2] 圖 2 即為基本的 555 無穩態電路 圖 2 555 基本無穩態電路 2
( 三 )555 單穩態電路 單穩態即是在不做任何觸發的情況下, 始終保持在一種穩定狀態, 當 IC555 第 2 腳 (TRIG) 觸發後會改變輸出狀態並且維持一段時間, 在時間過後又會回到其穩定狀態 NE555 之單穩態電路的穩定狀態為低態, 而觸發後則變為高態 其高態時間公式為 T=1.1*R1*C1 圖 3 即為 555 的單穩態電路 圖 3 555 單穩態電路 ( 四 ) 脈波產生電路 利用圖 2 及圖 3 的電路結合後的電路即是圖 4 脈波產生電路, 其動作原理是利用其公式配出一個可讓無穩態輸出為電容數值 10 倍的脈波數量 一開始電路還未觸發前, 左邊 555 單穩態電路輸出低態使得右邊 555 無穩態的重置腳 (/Reset) 致能, 此時無穩態電路處於重置狀態, 無法輸出訊號 當要測量電容時, 單晶片將送出一個低態的控制訊號送至單穩態的第 2 腳 (TRIG), 使單穩態電路振盪出一高態訊號 高態時間 T1=1.1*R1*C1, 此訊號接至無穩態的第 4 腳 (/Reset), 此時無穩態電路便開始振盪且 555 的第三腳將輸出震盪訊號, 振盪訊號週期為 T2=0.693*(R2+2R3)*C3 由於單穩態電路的 R1 數值為 10KΩ, 而無穩態電路的 R2 為 56KΩ R3 為 51KΩ,C3 為 0.01uF 假設現在欲測量的電容值 C1 為 50uF, 則 T1=1.1*10K*50uF=0.55 秒, 而 T2=0.693*(56K+2*51K)*0.01uF=0.00109 秒 0.0011 秒, 將 0.55 除以 0.0011 即得到 500, 再將其除以 10 後, 即可得到 50,50 即為待測電容的數值 圖 4 電容表的脈波產生電路 3
三 測量及顯示電路 圖 5 即為 8051 單晶片測量及顯示電路,8051 單晶片的第 15 隻腳用來接收無穩態的脈波訊號 ; 第 17 隻腳用來送出低態控制訊號 ; 第 12 隻腳則是接上測量開關 當按下測量開關後, 會開始測量, 經過了 10 毫秒後 8051 單晶片會送出控制訊號至單穩態電路, 使其輸出高態脈波至無穩態電路, 無穩態電路便會開始輸出振盪脈波, 將此脈波送到單晶片內部的計數電路進行計數 當按下測量開關 1 秒後, 計數電路便會停止計數,8051 單晶片會讀取計數器的數值, 只要將此數值轉換成 LCD 的顯示碼後, 再送至 LCD 顯示器便可顯示出電容數值 圖 5 電容表的測量及顯示電路 ( 一 ) 電路成品 本次研究我們利用 Altium Designer 軟體繪製電路圖後, 再進行佈線工作, 佈 線完成後就進行將電路板蝕刻, 經過蝕刻 焊接 等程序後, 就是如圖 6 的電容 表成品 而圖 7 為我們利用電容表量測 470uF 電容所顯示的測量結果 圖 6 電容表成品圖 4
圖 7 測量 470uF 電容結果 ( 二 ) 測量結果 為了比較自製的電容表與市面上常見的電容表的效能, 我們採用另外兩個電表測量電容並將結果進行比較, 表 1 為三個電表測量同一個電容的數值及誤差比率, 簡易型電表的誤差介於 1.7%~11% 之間, 標準型電表的誤差範圍為 2.36% ~24.6%, 自製電表的誤差範圍是三種電表中最小, 其誤差介於 0%~5% 表 2 為三個電表量測電容所需時間, 簡易型電表由於量測的較小, 所以量測時間在 5.5 秒以下, 標準型電表量測大電容時需較長時間, 但自製電表的量測時間都是 5.5 秒 其中簡易型的數位電容表因規格限制, 所以超過 20uF 的電容無法進行測量 表 1 三種電表測量結果及誤差的比較 0.1uF 1uF 10uF 47uF 100uF 220uF 470uF 自製電容表 (uf) 0.1 1 10.5 49.3 103.4 215.8 465.5 自製電容表誤差 0% 0% 5% 4.9% 3.4% 1.9% 0.95% 簡易型數位電容表 (uf) 簡易型數位電容表誤差標準型數位電容表 (uf) 標準型數位電容表誤差 0.089 0.983 10.95 11% 1.7% 9.5% 0.107 1.06 10.94 51.1 124.6 225.2 434 7% 6% 9.4% 8.7% 24.6% 2.36% 7.65% 5
表 2 三種電表測量速度的比較 0.1uF 1uF 10uF 47uF 100uF 220uF 470uF 自製電容表 5.5s 5.5s 5.5s 5.5s 5.5s 5.5s 5.5s 簡易型數位電容表 2.5s 4.1 s 5.3 s 標準型數位電容表 1.5 s 1.9 s 3.7 s 8.3 s 10 s 11.4 s 20.1 s 参 結論 我們已經成功的完成數位電容表的製作, 本電容表的量測時間在 6 秒以內, 量測誤差在 5% 以下, 與動輒 2~3 千元的標準型電表相比, 具有成本低 速度快及誤差更小的優點 再者本電表的電路簡單, 即便是在學的學生或者是電子產業的相關人員, 都可依電路圖自行製作出電容表 這些優點在電子電路的研究與開發上都有相當大的助益 肆 引註資料 1. 555 計時器,2013 年 10 月 5 日, 取自 http://zh.wikipedia.org/wiki/555%e8%a8%88%e6%99%82%e5%99%a8#.e5.8f.8 C.E7.A8.B3.E6.80.81.E6.A8.A1.E5.BC.8F 2. 宋由禮 陳柏宏 (2011) 電子學 II 台北市 : 旗立資訊股份有限公司 3. 張義和 王敏男 許宏昌 許春長 (2009) 例說 89S51-C 台北縣 : 新文京開發 出版股份有限公司 6