电容在电子线路中起着重要的作用，一般可以概括为通交隔直。电容通常起滤波、旁路、去耦、移相等作用，是电子线路设计中必不可少的组成部分。目前，电容的测量方法主要有振荡法、电桥法、充放电法[1]。为了实现系统的高稳定性和高精度性，本文使用低成本高性能的ATMEGA16单片机，以充放电法获得电容的充电时间，利用电容充放电原理计算得出电容大小，是一种可塑性极高的方法。

1 硬件设计

电容测量仪采用Atmel公司的8位AVR内核的低功耗控制器ATMEGA16，芯片具有16K字节的片内FLASH，512字节的EEPROM，1K字节的片内SRAM。芯片通用I/O接口32个，集成了IIC接口、SPI接口、JTAG接口、UART接口及8通道的10位ADC转换接口，芯片具有4个PWM通道，2个8位定时器、1个16位定时器以及比较器，芯片资源比较丰富，能很好的满足系统的设计要求[2]。电源部分可采用5V～9V DC输出的充电器，经过π型滤波电路，LM7805稳压为ATMEGA16提供5V电压。系统总体框图如图1所示。系统使用ATMEGA16单片机作为控制器，外围电路主要由RC充放电电路、继电器控制电路、AD取样电路、按键控制电路等构成，在设计中，不仅使用LCD1602液晶显示器显示电容值，同时，为了更直观地查看电路测量效果，使用校验指示灯(蓝色)、测量指示灯(绿色)跟踪测量进度。

  

图1 电容测量仪总体设计框图

1.1 RC充放电电路

图2所示为串联方式连接的RC充放电电路。电容上的充放电包括稳态和瞬态两个状态。当图中SW闭合时电容上的电压Vc=0，这是一种稳态；当SW打开一段时间后，电容上电压Vc=E，这又是一种稳态。当按键SW从闭合到打开时，电容上的充电电流突然增加到逐渐减小，电容充电的曲线图见图3。一般在经过5个充电时间常数后就认为电容充满，充电时间常数τ=RC[3]。

集成预测结果hensemble（x）=f（hi（x））=y与Bagging算法不同，Boosting算法第一次构建基分类器给每一个训练数据样本赋予动态权重，加强分类错误样本权重。在下一次基分类器采用新的样本权重进行随机抽样构建新的基分类器并以此类推构建多个基分类器，并形成一个精度较高的强分类器。

  

图2 RC充放电电路图

  

图3 RC充电曲线图

实际上，电容的充电电压和时间满足关系式式中电阻R单位为欧姆，电容C单位为法拉，充电时间t单位为秒，假设给电容充电达到阈值Vc1所需时间位t1，则有：

本文使用ATMEGA16单片机内置的模拟比较器，即正输入端A1N0(PB2)、负输入端A1N1(PB3)。将单片机比较器的正极输入端与负输入端比较，若A1N0>A1N1，则模拟比较器的输出ACO被置位，反之，ACO被清零。利用ACO的输出触发定时器1的输入捕获功能,另外可以根据需要选择上升沿还是下降沿触发，图5为ATMEGA16单片机模拟比较器结构图[5]。

 

(1)

当电阻R、充电电压、电源电压一定时 ，电容越大，充电时间越长。如果继续为电容充电，达到阈值电压Vc2 所需充电时间为t2，可得

根据(1)(2)可得，从Vc1充电到Vc2所需时间Δt

 

(2)

电气自动化的发展，得益于近现代科技的进步与相关理论的出现，总体来看，电气自动化的发展主要受以下三个方面因素的影响：

在Proteus仿真环境中，选用通用NPN三极管，直流放大系数hfe为100，继电器使用线圈的额定电压为5VDC，型号为G2R-1E-DC5，续流二极管使用1N4007。选择1个100 pF和1个0.01 μF作为低模式和高模式下的校准电容，允许误差±1%。图6为继电器控制电路。单片机通过控制三极管的导通与截止，选择不同的电容进行自动校准，相对于手动校验方式更具优势。

 

(3)

1.2 Atmega16单片机及AD取样电路

同理，输入到模拟端口ADC3的电压

 

(4)

ATMEGA16单片机自带8通道10位模拟转换器，将待测电容接入模拟比较器的正端，将电阻分压后的端口分别接入单片机的模拟通道3(ADC3)与模拟通道4(ADC4)，通过软件切换模拟通道开关，并将其作为比较器负端的参考电压[4]。AD采样电路见图4，如果电源电压为5V，则输入到的单片机模拟端口ADC3电压

=2.835 V

VB

(5)

我国在现代化经济建设的过程中，不断加深了对工作绩效的研究力度，其中明确指出同员工职务相关的实际工作内容状况为任务绩效，这一绩效同完成任务的状况以及员工个人能力等参数都具有紧密联系[3]。同时工作奉献指的是在实际展开日常工作中，从支持组织目标为出发点员工自主表现出来的一系列自律行为；而人际促进指的是员工日常工作中，有目的和意识的维持良好人际关系的行为。

  

图4 AD采样电路图

  

图5 模拟比较器结构图

1.3 继电器控制电路

比如中班幼儿进行有趣的石头画时，无论是农村幼儿园还是城市幼儿园，花园里的石头都随处可见，特别是靠近海边或者河边的地区，能够获得更多的石头。中班幼儿有一定的安全意识，在展开这节活动课时，教师带领幼儿走出教室，来到花园，去寻找各式各样的石头。幼儿异常兴奋，纷纷展开寻找，有的找到椭圆形的鹅卵石，有的找到三角形砾石等，接着教师指导幼儿用自己手里的石头展开创作。为了确保创作的成功，教师还为幼儿提供一些石头材料，有的幼儿根据石头的形状，粘贴组合成画；有的幼儿为石头涂色，用画笔画上花、小草、笑脸或者随手涂鸦的图案。总之，石头在幼儿手里变成一个个美丽的艺术品，幼儿体验到用石头作画的乐趣。

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一[2-3]，而转移是乳腺癌进展的最后阶段，同时也是乳腺癌患者高死亡率的主要原因[4]，导致超过90%癌症患者死亡。正常的乳腺上皮细胞通过一系列连续的变化包括细胞基因和遗传表观的改变与微环境的相互作用而发生恶变、侵袭、转移[5]。目前对于转移的相关机制尚未完全清楚。寻找有效的毒副作用小的抗肿瘤侵袭转移药物，对提高乳腺癌疗效、改善预后、提高生存质量，具有重要的理论意义和临床应用价值。中药黄芩素是一种广泛使用的中草药，研究发现黄芩素在体内外有广泛的抗肿瘤的作用[6-10]，因此本实验研究主要在于发现黄芩素抑制乳腺癌细胞肝转移的影响及相关的作用机制。

  

图6 继电器控制电路

2 软件设计

开发环境采用ATMEL公司的AVR StudioV4配合Windows下的GCC编译器WINAVR一起使用，利用仿真软件Proteus的优越性对系统进行开发，当系统上电后，初始化相应IO口、配置定时器、AD转换器、模拟比较器、中断，随后初始化1602液晶显示器，显示开机LOGO。单片机自动对高低模式进行校验，主循环中不断对按键进行扫描，一旦有键被按下，就执行相应的功能，比如手动校验、高低模式切换、电容测量，图7是简易电容测量仪软件设计流程图。

  

图7 简易电容测量仪软件设计流程图

3 测量结果与分析

为了验证系统测量的精度，进行了一系列的测试，测量范围从0 pF～10000 μF[6]。测量时，可以根据电容上的大小选择测量的范围，当电容上的标记值小于12 μF时，选择低模式进行测量；反之，选择高模式进行测量，这样测量精度会更高。由于实际电路在制作时，电路板上存在一定的杂散电容，为了模拟出实际效果，在仿真环境中接入了13 pF的电容作为模拟杂散电容，表1所示为该系统测量电容的测量结果。

 

表1 电容的测量结果

  

标称值测量值绝对误差相对误差30 pF30.49 pF0.49 pF1.63%120 pF120.18 pF0.18 pF0.15%1200 pF1222.65 pF22.65 pF1.88%12 nF11.80 nF-0.20 nF1.67%220 nF220.10 nF0.10 nF0.05%2.2 μF2.19 μF-0.01 μF0.45%47 μF46.65 μF-0.35 μF0.74%470 μF463.65 μF-6.35 μF1.35%4700 μF4632.65 μF-67.35 μF1.43%5600 μF5624.65 μF24.65 μF0.44%6200 μF6227.66 μF27.66 μF0.45%7500 μF7533.50 μF33.50 μF0.45%8200 μF8236.60 μF36.60 μF0.45%9100 μF9140.50 μF40.50 μF0.45%10000 μF10044.00 μF44.00 μF0.44%

从测量结果中可以得出，该系统的测量范围很宽，并且具有良好的测量精度，相对误差最大不超过1.9%。产生误差的原因主要是由于三极管的饱和压降不为0、电容不能充分放电到零电位以及电路板本身存在漏电流这三个方面。

4 结语

本文利用ATMEGA16单片机作为控制器，设计并制作了简易电容测量仪。该单片机在性能方面具有处理速度快、抗干扰性强、功耗超低、外围接口丰富等优点，系统利用RC充放电方法来测量电容大小，外围电路简单易制作，并且成本低廉，具有较强的实用性。

参考文献：

[1]陈尚松,雷加,郭庆.电子与测量仪器(第三版)[M].北京：电子工业出版社，2012：273-283.

[2]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例:基于AVR+Proteus仿真[M].北京:北京航天航空大学,2010： 1-4.

[3]霍德华.电容器充放电及RC暂态过程教学体会[J].职业,2013,30:74.

[4]耿进飞,左慢慢,陆静.基于 ATmega16可编程增益的模拟信号测量系统[J].仪表技术与传感器,2012(8):46-47.

[5]Atmel Company. ATMEGA16 Datasheet[EB/OL].http://www.atmel.com，2007(10):201-203.

[6]刘富星，任全会.便携式电容电感测试系统设计[J].郑州铁路职业技术学院学报,2017(3):6-8.