實(shí)用電容測量儀設(shè)計(jì)(共27頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)用電容測量儀設(shè)計(jì)姓名: 劉立鵬專業(yè): 電子信息工程班級(jí): 電子10學(xué)號(hào): 時(shí)間: 2013年4月8日目錄1功能說明 32 整體方案設(shè)計(jì) 42.1 方案論證42.2 方案選擇63 單元模塊設(shè)計(jì)63.1 AT89C51單片機(jī)工作電路 63.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 73.2.1 內(nèi)部時(shí)鐘電路73.2.2 外部時(shí)鐘電路83.3 555芯片電路93.4 系統(tǒng)顯示電路103.5 系統(tǒng)按鍵電路113.6 系統(tǒng)總電路圖124 軟件設(shè)計(jì)134.1 軟件設(shè)計(jì)原理及所用工具134.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖154.3 編寫程序166 設(shè)計(jì)總結(jié)227 參考文獻(xiàn)231功能說明：基于AT89C51單片機(jī)和5

2、55芯片的數(shù)顯式電容測量。該方案主要是根據(jù)555芯片的應(yīng)用特點(diǎn)，把電容的大小轉(zhuǎn)變成555輸出頻率的大小，進(jìn)而可以通過單片機(jī)對(duì)555輸出的頻率進(jìn)行測量，再通過該頻率計(jì)算出被測參數(shù)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，是以Proteus為仿真平臺(tái)，使用C語言編程編寫了運(yùn)行程序。該測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精度較高，方便實(shí)用等特點(diǎn)。2 整體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的整體思路是：基于AT89C51單片機(jī)和555芯片的數(shù)字式電容測量。該方案主要是根據(jù)555芯片的應(yīng)用特點(diǎn)，把電容的大小轉(zhuǎn)變?yōu)?55輸出頻率的大小，進(jìn)而可以通過單片機(jī)對(duì)555輸出的頻率進(jìn)行測量。2.1 方案論證設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)方案，具體的方案見方案一和方案二。方案一

3、：利用多諧振蕩原理如圖2.1所示。電容C電阻R和555芯片構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩電路。在電源剛接通時(shí)，電容C上的電壓為零，多諧振蕩器輸出V0為高電平V0通過R對(duì)電容C充電。當(dāng)C上沖得的電壓Vc=Vr時(shí)，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，V0變?yōu)榈碗娖剑珻又通過R放電，Vc下降。當(dāng)Vc=Vr時(shí)施密特觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)，輸出Vc又變?yōu)楦唠娖剑绱滞鶑?fù)產(chǎn)生震蕩波形。圖2.1 多諧振蕩原理圖這種方法是利用了一個(gè)參考的電容實(shí)現(xiàn)，雖然硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件實(shí)現(xiàn)卻相對(duì)比較復(fù)雜。方案二：直接根據(jù)充電放電時(shí)間判斷電容值這種電容測量方法主要利用了電容的充放電特性Q=UC，放電常數(shù)r=RC，通過測量與被測電容相關(guān)電路的充放電時(shí)間來確定電容值。一般

4、情況下，可設(shè)計(jì)電路使T=ARC（T為振蕩周期或處罰時(shí)間；A為電路常數(shù)與電路參數(shù)有關(guān)）。這種方法中應(yīng)用于555芯片組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在秒脈沖的作用下產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，來控制門電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，從而確定脈沖時(shí)間，通過設(shè)計(jì)合理的電路參數(shù)，使計(jì)數(shù)值與被測電容相對(duì)應(yīng)。其原理如圖2.2所示.圖2.2 根據(jù)充電放電時(shí)間判斷電容值原理這種方法硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，實(shí)際上是通過犧牲硬件部分來減輕軟件部分的負(fù)擔(dān)，但在具體設(shè)計(jì)中會(huì)碰到很大的問題，而且硬件一旦設(shè)計(jì)好，可變性不大。方案三：基于AT89C51單片機(jī)和555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路電容測量這種電容測量方法主要是通過一塊555芯片來測量電容，讓555芯片工作在直接反饋無

5、穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下，555芯片輸出一定頻率的大小跟被測量的電容之間的關(guān)系是：f=0.772/(R*Cx),我們固定R的大小，其公式就可以寫為：f=k/C x，只要我們能測量出555芯片輸出的頻率，就可以計(jì)算出測量的電容。如圖2.3所示。圖2.3 基于AT89C51單片機(jī)和555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路電容測量2.2 方案選擇 通過對(duì)上述方案的比較，已知方案三不僅硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且軟件設(shè)計(jì)業(yè)簡便。能夠滿足測量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量等設(shè)計(jì)需要，而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性、系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活，容易構(gòu)成各種規(guī)模的系統(tǒng)。所以選擇方案三。3 單元模塊設(shè)計(jì)通過簡單的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由四個(gè)主要部

6、分組成：單片機(jī)，晶振電路設(shè)計(jì)，555芯片電路設(shè)計(jì)，顯示電路設(shè)計(jì)，復(fù)位電路設(shè)計(jì)。3.1 AT89C51單片機(jī)工作電路 本設(shè)計(jì)的核心是單片機(jī)電路，考慮到需要一個(gè)中斷輸入，存儲(chǔ)容量、外部接口對(duì)單片機(jī)端口的需要以及兼顧到節(jié)約成本的原則，選用了常用的AT89C51單片機(jī)。AT89C51是低功耗、高性能、經(jīng)濟(jì)的8位CMOS微處理器，工作頻率為024MHz，內(nèi)置4K字節(jié)可編程只讀閃存，128x8位的內(nèi)部RAM，16位可編程IO總線。它采用Atmel公司的非易儲(chǔ)器制造技術(shù)，與MCS51的指令設(shè)置和芯片引腳可兼容。AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在

7、一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C51工作的最簡單的電路是其外圍接一個(gè)晶振和一個(gè)復(fù)位電路，給單片機(jī)接上電源和地，單片機(jī)就可以工作了。其最簡單的工作原理圖如下圖。圖3.1單片機(jī)工作電路3.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路時(shí)鐘在單片機(jī)中非常重要，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。3.2.1 內(nèi)部時(shí)鐘電路內(nèi)部時(shí)鐘方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式電路圖如下圖3.2所示。圖3.2 內(nèi)部時(shí)鐘電路MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用與構(gòu)成振蕩器的高增益反相

8、放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器電路。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30PF左右。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHz12MHz之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。MCS-51單片機(jī)常選擇振蕩頻率6MHz或12MHz的石英晶體。3.2.2 外部時(shí)鐘電路外部時(shí)鐘方式：外部時(shí)鐘方式

9、電路圖如下圖3.3所示。圖3.3 外部時(shí)鐘電路外部時(shí)鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號(hào)，常用于多片MCS-51單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。對(duì)外部脈沖信號(hào)只要求高電平的持續(xù)時(shí)間大于20us，一般為低于12MHz的方波。外部的時(shí)鐘源直接接到XTAL2端，直接輸入到片內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器上。由于XTAL2的邏輯電平不是TTL的，因此要外接一個(gè)4.7k10k的上拉電阻。這次的設(shè)計(jì)采用MCS-51的內(nèi)部時(shí)鐘方式。因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘方式是用外部振蕩脈沖信號(hào)，用于多片MCS-51單片機(jī)同時(shí)工作。在這次設(shè)計(jì)中只用一個(gè)MCS-51單片機(jī)，不需要振蕩脈沖信號(hào)。3.3 555芯片電路555芯片電路的應(yīng)用電路很多，如：多個(gè)單穩(wěn)、多個(gè)雙

10、穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。在實(shí)際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的電路是直接反饋型無穩(wěn)類電路。電路如圖3.4所示。圖3.4 555芯片電路 555芯片芯片輸出的頻率為，只要我們改變電阻R，就可以達(dá)到改變電阻量程的目的，圖中提供了四組電阻，所以說有四組的電容測量量程，每個(gè)量程之間的跨度是10倍的關(guān)系。在555芯片輸出方波后，由于硬件的原因，輸出的方波會(huì)有很多毛刺，為了去除這些毛刺本設(shè)計(jì)中使用了一個(gè)兩輸入與門（74HC08），讓信號(hào)通過74HC08后會(huì)使輸出的波形毛刺減少很多，使單片機(jī)的測量結(jié)果變得精確。3.4 系統(tǒng)顯示電路LCD以其微功耗、體積小、顯

11、示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這里介紹的字符型液晶模塊是一種用5x7點(diǎn)陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個(gè)字、2行16個(gè)字、2行20個(gè)字等等，這里我們使用的是2行16個(gè)字的1602液晶模塊。圖3.5 LCD1602引腳圖1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中:第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度第4 腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)

12、選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線， 高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6 腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第1516腳：空腳3.5 系統(tǒng)按鍵電路按鍵是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的比較直觀的接口，可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)人們想讓單片機(jī)做的不同的工作。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型開關(guān)，平時(shí)按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵是它們閉合。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，案件的識(shí)別由專用的硬件譯碼實(shí)

13、現(xiàn)，并能產(chǎn)生鍵編號(hào)或鍵值的稱為編碼鍵盤，而缺少這種鍵盤編碼電路要靠自編軟件識(shí)別的稱為非編碼鍵盤。在單片機(jī)組成的電路系統(tǒng)及智能化儀器中，用的更多的是非編碼鍵盤。圖3.6就是一種比較典型的按鍵電路，在按鍵沒有按下的時(shí)候，輸出的是高電平，當(dāng)按鍵按下去的時(shí)候，輸出的低電平。圖3.6 按鍵電路3.6 系統(tǒng)總電路圖當(dāng)各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)完成后，下面的工作就是組合成一個(gè)總的電路圖。 圖3.7 總電路圖4 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)原理及所用工具本次設(shè)計(jì)所選用Keil C51中的編譯/連接器軟件Keil uVision2作為編譯器/連接工具。整個(gè)程序設(shè)計(jì)過程中遇到的最大的問題的如何根據(jù)測量到的方波的頻率來計(jì)算所測

14、量的電容的大小。在前面的介紹中我們知道：555時(shí)基芯片的輸出頻率跟所使用的電阻R和電容C的關(guān)系是：又因?yàn)?，所以即：如果單片機(jī)采用12M的晶振，計(jì)數(shù)器T0的值增加1，時(shí)間就增加1S，我們采用中斷的方式來啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)器T0，中斷的觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)，第一次中斷到來啟動(dòng)T0，計(jì)數(shù)器的值為，第二次中斷到來停止T0，計(jì)數(shù)器器的值為，則測量方波的周期為，如何開始時(shí)刻計(jì)數(shù)器的值，則。簡單時(shí)序圖如下。T555輸出的方波啟動(dòng)T0停止T0圖4.1 時(shí)序圖則： 單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的值N=0-65535，為了測量的精度，N的取值一般在1005000，當(dāng)電阻R越大，電容C的值就越小。我們?nèi)〔煌碾娮柚?，就得到不同?/p>

15、電容測量的量程。第一檔： 150uF第二檔： 0.15 uF第三檔： 0.010.5 uF第四檔： 0.0010.05 uF為了編寫程序的方便，我們只計(jì)算，后面的單位可以根據(jù)使用的量程自行添加。測量范圍的大小0.001uF655.35uF。4.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖圖4.2為整個(gè)程序設(shè)計(jì)的流程。T0，INT0初始化啟動(dòng)555有無中斷有無按鍵有無中斷啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0停止計(jì)數(shù)器T0計(jì)算電容的大小顯示電容值有無按鍵NYnNYNYNY圖4.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖4.3 編寫程序根據(jù)上面的流程圖，編寫程序：#include reg51.h#includeintrins.h/庫函數(shù)#define DATA P0sb

16、it RW=P21;/1602寫數(shù)據(jù)sbit RS=P20;/1602寫地址sbit EN=P22; /1602工作使能sbit b_test=P37; /開始測量電容的按鍵輸入sbit _reset=P35; /555時(shí)基芯片工作控制信號(hào)unsigned int T_flag,N,C,i,Dis1,Dis0;unsigned int b6=0X13,0X0D,0X00,0X00,0X25,0X16; /顯示C=00UF/*延時(shí)1MS*/void Delay1ms(unsigned int mm)unsigned int i; for(mm;mm0;mm-) for(i=100;i0;i-);

17、/*檢查忙否*/void Checkstates() unsigned char dat; RS=0; RW=1; doEN=1;/下降沿 _nop_();/保持一定間隔_nop_(); dat=DATA; _nop_();_nop_(); EN=0; while(dat&0x80)=1);/*LCD寫命令函數(shù)*/void wcomd(unsigned char cmd) Checkstates(); RS=0; RW=0; DATA=cmd; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*LCD寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/void wdata(unsig

18、ned char dat) Checkstates(); RS=1; RW=0; DATA=dat; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*初始化*/void LCDINIT() Delay1ms(15); wcomd(0x38);/功能設(shè)置 Delay1ms(5); wcomd(0x38);/功能設(shè)置 Delay1ms(5); wcomd(0x01);/清屏 Delay1ms(5); wcomd(0x08);/關(guān)顯示 Delay1ms(5); wcomd(0x0c);/開顯示，不開光標(biāo)/*顯示函數(shù)*/void Display(voi

19、d) /顯示函數(shù)unsigned char i,j; unsigned char a12=0X4D,0X45,0X41,0X53,0X55,0X52,0X45,0X4D,0X45,0X4E,0X54,0X53;/顯示measurements LCDINIT(); for(i=0;i12;i+)/寫顯示第一行 wcomd(0x80+i); Delay1ms(1); wdata(ai); Delay1ms(1); for(j=0;j5000) /設(shè)置最長等待時(shí)間 _reset=0; /最長等待時(shí)間到還沒有中斷，停止555 if(N5000) /如果計(jì)數(shù)值大于5000，顯示LA，表示應(yīng)換用大一點(diǎn)的量

20、程 b3=0X11; b2=0X1C; if(N=100 & N=5000) C=N/100; /計(jì)算電容的大小 b2=C/10; /計(jì)算電容值的十位 b3=C-b2*10; /計(jì)算電容值的各位 Display(); /顯示電容的大小 void int0(void) interrupt 0 /第一次中斷開始計(jì)數(shù)，第二個(gè)中斷停止計(jì)數(shù) T_flag=!T_flag; if(T_flag=1) TR0=1; /開始計(jì)時(shí) if(T_flag=0) TR0=0; /停止計(jì)時(shí) EX0=0; /關(guān)閉中斷 _reset=0; /停止發(fā)出方波 N=TH0*256+TL0; /計(jì)算計(jì)數(shù)器的值 N=N*5/3; T

21、H0=0x00; /恢復(fù)初值 TL0=0x00; 6 設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)的硬件電路比較簡單，這大大的降低了成本。而采用單片機(jī)可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，縮小系統(tǒng)的體積,調(diào)試和維護(hù)方便。本設(shè)計(jì)通過由555芯片和電容電阻組成的振蕩電路來輸出方波，通過單片機(jī)定時(shí)器T0測量其脈沖寬度，從而達(dá)到測量其周期的目的，再通過單片機(jī)軟件編程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算從而得出被測電容的值，再通過LCD1602顯示出其測量值。系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵，軟件部分是在Keil51的平臺(tái)上使用是C語言編寫程序。本系統(tǒng)通過一個(gè)測量按鍵啟動(dòng)整個(gè)測量程序，通過外部中斷零INT0來控制計(jì)數(shù)器T0的開始和停止，INT0采用邊沿觸發(fā)方式，在第一個(gè)脈沖邊沿啟動(dòng)T0，使T0開始計(jì)數(shù)，在第二個(gè)脈沖邊沿停止T0計(jì)數(shù)，然后通過對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理最后將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上?？傊?，整個(gè)系統(tǒng)的工作正常，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的全部要求。雖然本設(shè)計(jì)完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，但無法得到十分精確的測量結(jié)果，這主要是有以下幾點(diǎn)原因，首先單片機(jī)對(duì)于脈沖寬度的測量精確度有限，其次是外界的干擾對(duì)波形有一定的影響，還有硬件自身也有一部分原因。希望在之后的設(shè)計(jì)之中能夠得到進(jìn)一步解決。專心-專注-專業(yè)