ATmega8 上的电容表：原理图和代码

基于ATmega8的电容测量仪：从原理图到原型机

ATmega8微控制器通过RC充电法实现高精度电容测量。该设备配备I2C接口液晶屏、LM7805稳压器，以及可切换电阻以适应不同电容量程。开发过程使用EasyEDA进行PCB设计，Compass 3D完成外壳建模，Proteus用于电路仿真。

电容C定义为C = Q/U，电荷呈指数累积。当电压充至Ucc的63.2%时，对应的时间常数τ = R × C。算法步骤如下：

• 将放电引脚设为"INPUT"，防止提前放电。
• 记录t0，即充电开始时刻。
• 将充电引脚设为"OUTPUT"高电平，持续监测ADC直至达到Ucc的63.2%。
• 计算C = (t - t0) / R。
• 通过电阻放电：将放电引脚设为"INPUT"，输出低电平。

通过切换电阻的RC电路，可覆盖从皮法到毫法的广泛电容范围。

原理图设计与电路架构

ATmega8（DIP-28封装）搭配10位ADC，将电容电压Uc转换为数字信号。ALU根据时间常数τ计算电容值。0603贴片电阻（1kΩ–1MΩ）构成RC网络。放电电阻用于限流。16×2 I2C液晶屏（SDA/SCL）大幅减少GPIO占用。供电路径为：9V电池 → LM7805 → 5V，经0603陶瓷电容和3216电解电容滤波。

AREF/AVCC接5V，Vcc/GND标准连接。通过数字输出控制电阻切换，实现自动量程切换。

核心元器件清单：

• ATmega8-16PU
• LM7805
• I2C液晶屏 0x3F
• 0603电阻：1k、10k、100k、1M
• 电容：100nF×4、10μF、100μF

EasyEDA中的PCB设计

PCB尺寸：30×38 mm。最小走线宽度b_min = I_max / (j_dop × t) = 0.254 mm（j_dop=50 A/mm²，t=35 μm，I_max<0.1A）。通孔直径d=1.2 mm，适用于≤1 mm引脚。面积S = S'/Kz，Kz=0.4。

采用减成法：在FR4基板上蚀刻铜层。布局优化以缩短ADC信号路径，降低噪声干扰。地平面完整连续；电源走线加宽。3D视图验证安装间隙无误。

PCB参数计算：

• 面积： S' = 各元件面积之和，Kz=0.3–0.6。
• 走线： b_min依据电流大小及制造工艺确定。
• 过孔： d = d_element + |Δd| + r（r=0.1–0.4 mm）。
• 间距： ≥0.2 mm。
• 焊盘： 直径为1.5–2×d。

布线策略：模拟与数字电路分离；ADC下方铺设完整地平面。

外壳与机械结构设计

使用Compass 3D设计：预留9V电池仓、BNC测试端子接口、液晶屏开孔及电源按钮位置。壁厚2 mm，并设置加强筋。可视化模型确认人体工学设计合理，校准元件触手可及。

软件实现

采用C++编写AVR-GCC代码。初始化Wire与LiquidCrystal_I2C库。液晶屏地址为0x3F。引脚定义：充电PB0，放电PB1，量程控制PB2–PB4，ADC输入PC0。

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#define LCD_ADDRESS 0x3F
#define LCD_COLS 16
#define LCD_ROWS 2
LiquidCrystal_I2C lcd(LCD_ADDRESS, LCD_COLS, LCD_ROWS);

// 引脚定义
const int CHARGE_PIN = 9;  // PB1
const int DISCHARGE_PIN = 10; // PB2
const int ADC_PIN = A0;   // PC0

void setup() {
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  pinMode(CHARGE_PIN, OUTPUT);
  pinMode(DISCHARGE_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(CHARGE_PIN, LOW);
  digitalWrite(DISCHARGE_PIN, LOW);
  // ADC初始化
  ADMUX = (1<<REFS0); // 使用AVCC参考电压
  ADCSRA = (1<<ADEN) | (1<<ADPS2) | (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0);
}

float measureCapacitance(float R) {
  // 放电
  digitalWrite(DISCHARGE_PIN, LOW);
  delay(100);
  // 充电
  unsigned long t0 = millis();
  digitalWrite(CHARGE_PIN, HIGH);
  while (analogRead(ADC_PIN) < 645) {} // 63.2% of 1023
  unsigned long t1 = millis();
  digitalWrite(CHARGE_PIN, LOW);
  return (t1 - t0) / 1000.0 / R;
}

void loop() {
  float C = measureCapacitance(10000.0); // R=10k
  lcd.clear();
  lcd.print("C = ");
  lcd.print(C * 1e6, 1);
  lcd.print(" uF");
  delay(2000);
}

ADC每10毫秒轮询一次，具备定时器溢出保护机制。校准参数存储于EEPROM中。

关键收获

• RC充电法在1nF–100μF范围内实现±5%测量精度。
• 电阻切换扩展量程，同时保持ADC分辨率。
• I2C液晶屏节省GPIO资源，特别适合嵌入式系统。
• LM7805线性稳压器结构简单，但发热明显——适用于原型验证阶段。
• 双层PCB结合EasyEDA的DRC检查，有效避免布线错误。

— Editorial Team