畢業(yè)設計論文_電容測試儀設計

1、-PAGE . z 編號畢業(yè)設計題 目電容測試儀設計學生學 號系 部專 業(yè)班 級指導教師電容測試儀設計摘 要隨著電子工業(yè)的開展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用圍也逐漸廣泛起來，在應用中我們常常要測定電容的大小。因此，設計可靠，平安，便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。在系統(tǒng)硬件設計中，以STC89C52RC單片機為核心的電容測試儀，使用對應的振蕩電路轉化為頻率實現(xiàn)參數(shù)的測量。電容是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的，將振蕩頻率送入STC89C52RC的計數(shù)端端口，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出被測參數(shù)。在系統(tǒng)軟件設計中，是以Keil4.0為仿真平臺，使用C語言編程編寫

2、了運行程序；包括主程序模塊、顯示模塊、電容測試模塊。最后，實際制作了一臺樣機，在實驗室里進展了測試，結果說明該樣機的功能和指標得到了設計要求。關鍵詞：單片機，555多諧振蕩電路，1602液晶屏The design of Capacitance testerAbstractWith the development of electronic industry,electronic ponents rapidly increased the scope of electronic ponents widely up gradually,in applications we often measur

3、ed capacitors size.Therefore,the design of reliable,safe,convenient capacitance tester of great practical necessity.In the system hardware design,take the MCS-51 monolithic integrated circuit as the core resistance,the use correspondences oscillating circuit transforms for the frequency realizes eac

4、h parameter survey. And the electric capacity is use 555 multi resonant circuits to produce,the oscillation frequency will send STC89C52RC the counting to be neat,through and fi*ed time counts may calculate by the frequency measurement rate,figures out again through this frequency meter is measured

5、the parameter.In systems software design is take Keil4.0 as the simulation platform,used the C language programming has piled the system application software;including master routine module,display module,display module,electric capacity test module and inductance test module.Finally,the actual prod

6、uction of a prototype,tested in the laboratory results show that the prototype of the functions and indicators are the design requirements.Key Words：Single slice of machine;555 multi resonant circuit; 1602 dynamic display module目 錄摘 要Abstract第一章 引 言11.1 設計背景及意義11.2 電容測試儀的開展歷史和研究現(xiàn)狀11.3 本設計所做的工作1第二章 電

7、容測試儀的系統(tǒng)設計32.1 電容測試儀設計方案比擬32.2 系統(tǒng)的原理框圖4第三章 電容測試儀系統(tǒng)的硬件設計53.1 RC振蕩電路的設計53.1.1 555定時器簡介5 RC振蕩電路的設計83.2 單片機電路的設計9 單片機的選擇-STC89C52RC9 單片機時鐘電路設計11 單片機復位電路設計13 單片機定時器/計數(shù)器設置153.3 顯示電路的設計16 液晶顯示器的選擇16 顯示電路設計17第四章 電容測試儀系統(tǒng)的軟件設計184.1 主程序流程圖184.2 頻率參數(shù)計算的原理18 PCB板的設計及系統(tǒng)的調試205.1 Protel99SE介紹與PCB板的設計205.2 系統(tǒng)的調試225.3

8、 系統(tǒng)的測試23第六章 總結與展望256.1 工作總結256.2 技術展望25參考文獻27致28附錄29附錄 系統(tǒng)原理圖及PCB29-. z第一章 引 言1.1 設計背景及意義目前，隨著電子工業(yè)的開展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用圍也逐漸廣泛起來，在應用中我們常常要測定電容的大小。因此，設計可靠，平安，便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進展測量。由于測量電容方法多并具有一定的復雜性，所以本次設計是在參考555定時器根底上擬定的一套自己的設計方案。是嘗試用555定時器將被測參數(shù)轉化為頻率，這里我們將RLC的測量電路產(chǎn)生

9、的頻率送入STC89C52RC的計數(shù)端端口，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率再通過該頻率計算出各個參數(shù)。1.2 電容測試儀的開展歷史及研究現(xiàn)狀當今電子測試領域，電容測量已經(jīng)在測量技術和產(chǎn)品研發(fā)中應用的十分廣泛。電容測試開展已經(jīng)很久，方法眾多，常見測量方法如下。近年來我國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速開展的軌道，尤其最近幾年，中國外鄉(xiāng)儀器取得了長足的進步，特別是通用電子測量設備研發(fā)方面，與國外先進產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術的開展，為中國的測試測量儀器

10、行業(yè)帶來了新的契機，加上各級政府日益重視，以及中國自主應用標準研究的快速進展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。1.3 本設計所做的工作本設計是以555為核心的振蕩電路，將被測參數(shù)模擬轉化為頻率，并利用單片機計算頻率，所以，本畢業(yè)設計需要做好以下工作：學習單片機原理等材料；學習Protel99SE，Keil4.0等工具軟件的使用；設計測量電容的振蕩電路；設計LED動態(tài)顯示電路；設計軟件程序；用Pro

11、tel99SE軟件繪制電路原理圖和PCB圖；安裝和調試，實際測試，記錄測試數(shù)據(jù)及結果。 電容測試儀的系統(tǒng)設計2.1 電容測試儀設計方案比擬電容測試儀的設計可用多種方案完成，例如使用純模擬電路，使用可編程邏輯控制器(PLC)，CPLD與EDA相結合或振蕩電路與單片機結合等等來實現(xiàn)。在設計前對各種方案進展了比擬：(1)利用純模擬電路雖然防止了編程的麻煩，但電路復雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。 (2)可編程邏輯控制器(PLC) 應用廣泛，它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設計中可采用PLC對硬件進展控制，但是用PLC實現(xiàn)價格相對昂

12、貴，因而本錢過高。 (3)采用CPLD或FPGA實現(xiàn)應用目前廣泛應用的VHDL硬件電路描述語言，實現(xiàn)電阻，電容，電感測試儀的設計，利用MA*PLUS = 2 * ROMAN II集成開發(fā)環(huán)境進展綜合、仿真，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但相對而言規(guī)模大，構造復雜。(4)利用振蕩電路與單片機結合利用555多諧振蕩電路將電容參數(shù)轉化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉換為數(shù)字量，而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，而且單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活,容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。單片機具有可編

13、程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設計時間短，本錢低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機結合實現(xiàn)電容測試儀更加簡便可行，節(jié)約本錢。所以，本次設計選定以單片機為核心來進展。2.2 系統(tǒng)的原理框圖本設計的設計思想是把電容C通過RC振蕩轉換成頻率信號f，這樣就把模擬量轉化為數(shù)字量，然后送入核心進展計數(shù)后再對數(shù)據(jù)進展處理和運算求出被測電容的值，并送顯示器顯示。首先設計RC振蕩電路，接入被測電容后，由555定時器構成振蕩器產(chǎn)生方波。然后，把此脈沖信號通過接口傳到STC89C52RC單片機上，對此脈沖信號進展計數(shù)，通過軟件編程，使之轉換成電容值，最后由1602液晶屏顯示電容值。系統(tǒng)主要由測

14、量電路和控制電路兩局部組成。測量電路主要用于產(chǎn)生RC振蕩頻率f，而控制電路則用于對所產(chǎn)生的振蕩頻率進展計數(shù)處理控制并送顯示等。系統(tǒng)設計框圖如圖2.2如下所示。圖2.1 系統(tǒng)設計框圖框圖各局部說明如下：(1)測量局部：該局部的功能是把電容C通過RC振蕩轉換成頻率信號f，這樣就把模擬量轉化為數(shù)字量。本設計中RC振蕩是利用555定時器的振蕩電路產(chǎn)生的。由于555部的比擬器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小，故能保證檢測結果的準確性。通過MCS - 51單片機的I/O口自動識別，實現(xiàn)自動測量。(2)控制局部：本設計以STC89C51RC單片機為核心，利用其管腳

15、的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和LED顯示功能等。本設計中采用1602液晶屏構成顯示器，直觀易懂，操作簡單，且能降低功耗。 電容測試儀系統(tǒng)的硬件設計3.1 RC振蕩電路的設計建立振蕩，就是要使電路自激，從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，由直流電變?yōu)榻涣麟?，對于RC振蕩電路來說，直流電源即是能源，自激的因素是微弱的信號經(jīng)過放大，通過正反應的選頻網(wǎng)絡，使輸出幅度越來越大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩幅度自動地穩(wěn)定下來，為此采用555定時器來產(chǎn)生RC振蕩頻率。3.1.1 555定時器簡介555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用圍很廣，外部加接少量的阻容元件

16、可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧定時器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時被廣泛應用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。(1)555定時器部構造555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結合的中規(guī)模集成電路,其部構造如 REF _Ref282775146 h 圖3.1(A)局部及管腳排列如圖3.1(B)局部所示。圖3.1 555定時器部構造它由分壓器、比擬器、根本R-S觸發(fā)器和放電三極管等局部組成。分壓器由三個5K的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比擬器N1、N2提供參考電壓，比擬器N1的參考電壓為，加在同相輸入端，比擬器N2的參考電壓為 QUOTE ，加在反相輸入端。比擬

17、器由兩個構造一樣的集成運放N1、N2組成。高電平觸發(fā)信號加在N1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比擬后，其結果作為根本R-S觸發(fā)器 QUOTE 端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在N2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比擬后，其結果作為根本R-S觸發(fā)器 QUOTE 端的輸入信號。根本R-S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比擬器N1、N2的輸出端控制。多諧定時器工作原理由555定時器組成的多諧定時器如 REF _Ref282775243 h 圖3.2(C)局部所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖3.2(D)局部所示。圖3.2 定時器工作原理設電容的初始電壓Uc0，t0時接通電源，由于電容電壓

18、不能突變，所以高、低觸發(fā)端VTHVTL0 QUOTE ，比擬器N1輸出為高電平，N2輸出為低電平，即 QUOTE =1， QUOTE =0(1表示高電位，0表示低電位)，R-S觸發(fā)器置1，定時器輸出u0=1此時=0 QUOTE ，定時器部放電三極管截止，電源Vcc經(jīng)R1，R2向電容C充電，uc逐漸升高。當uc上升到 QUOTE 時，N2輸出由0翻轉為1，這時 QUOTE = QUOTE =1，R-S觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0tt1期間，定時器輸出u0為高電平1。t=t2時刻，uc上升到 QUOTE ，比擬器N1的輸出由1變?yōu)?，這時 QUOTE =0， QUOTE =1，R-S觸發(fā)器復0，定時

19、器輸出u0=0。 QUOTE t1tt2期間，=1 QUOTE ，放電三極管T導通，電容C通過R2放電。uc按指數(shù)規(guī)律下降,當uc時比擬器N1輸出由0變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的= QUOTE =1，Q的狀態(tài)不變，u0的狀態(tài)仍為低電平。t=t2時刻，uc下降到 QUOTE ，比擬器N2輸出由1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的 QUOTE =1， QUOTE =0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出u0=1。此時電源再次向電容C放電，重復上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出u0=1，電容放電時，u0=0，電容不斷地進展充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧定時器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質是將直流形式

20、的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?3)振蕩周期由圖(D)可知，振蕩周期。T1為電容充電時間，T2為電容放電時間。充電時間： (3-1)放電時間： (3-2)矩形波的振蕩周期： (3-3)對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比q，q=(脈寬tw)/(周期T)，tw指輸出一個周期高電平所占的時間。圖C所示電路輸出矩形波的占空比： QUOTE QUOTE QUOTE QUOTE QUOTE (3-4) RC振蕩電路的設計本電容測試儀的設計采用的脈沖計數(shù)法，就利用了555芯片產(chǎn)生多諧振蕩這一原理來設計的。由555芯片構成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。RC振

21、蕩電路輸出的是矩形波脈沖，振蕩器的輸出口要接到STC89C52RC單片機的輸入引腳P3.5。這是因為T0設置為定時器，計部脈沖，STC89C52RC單片機設置為計數(shù)器計外部脈沖。電路原理圖如圖3.3。圖3.3 RC振蕩電路接通電源后，C2、C*被充電，A點電壓VC上升。當VC上升到時，觸發(fā)器被復位，同時555芯片部放電三極管導通，此時V0為低電平。C2、C*通過R2和放電三極管放電，使VC下降。當VC下降到時，觸發(fā)器又被置位，V0翻轉為高電平。C2、C*放電所需的時間為：(3-5)式中：當放電完畢時，放電三極管截止，VCC通過R1、R2向C2、C*充電，V由上升到所需的時間為：(3-6)當VC

22、上升到時，觸發(fā)器翻轉，如此周而復始，在輸出端得到一個周期性的方波，其頻率為：(3-7)根據(jù)555多諧振蕩器頻率計算公式及電容串聯(lián)計算公式可推出：(3-8)整理得：(3-9)由上式可知，當電路設計完成后，所有參數(shù)除頻率f外均為定值，且f隨C*的變化而唯一改變。當電容較小時，脈沖頻率之間相差上百甚至上千，電路中的電阻應做相應的調整。記錄一秒鐘脈沖的數(shù)量，由查表可得到相對應的電容值。3.2 單片機電路的設計 單片機的選擇-STC89C52RC自1974年美國Fairchild公司研制出第一臺單片機F8以來，單片機經(jīng)歷了由4位機到8位機再到16位、32位機的開展過程。近年來，32位單片機已進入了實用階

23、段，但是由于8位單片機在性能價格比上占有優(yōu)勢，并且8位增強型單片機在速度和功能上可向現(xiàn)在的16位單片機挑戰(zhàn)，因此在未來相當長的時期，8位單片機仍是單片機的主流機型。Intel公司于1976年推出了MCS-48系列單片機，于1980年推出了MCS-51系列單片機，于1983年推出了MCS-96系列單片機。1MCS-51系列單片機MCS-51系列單片機是一種高性能的8位單片機，它是在MCS-48系列單片機的根底上推出的第二代單片機。其典型產(chǎn)品為8051，封裝為40引腳。8051單片機片含有4KB的ROM，ROM中的程序是由單片機芯片生產(chǎn)廠家固化的，適合于大批量的產(chǎn)品；8751單片機片含有4KB的E

24、PROM，單片機應用開發(fā)人員可以把編好的程序用開發(fā)機或編程器寫入其中，需要修改時，可以先用紫外線擦除器擦除，然后再寫入新的程序；8031片沒有程序存儲器，當在單片機芯片外擴展EPROM后，就相當于一片8751，此種應用方式方便靈活。這三種芯片只是在程序存儲器的形式上不同，在構造和功能上都一樣。表3.1為MCS-51系列單片機常用產(chǎn)品特性一覽表。表3.1 MCS-51系列單片機常用產(chǎn)品特性一覽表型號片存儲器BI/O口線定時/計數(shù)器片外存儲器B程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器80514KROM128322個16位64K64K87514KEPROM128322個16位64K64K8031無1

25、28322個16位64K64K80C514KROM128322個16位64K64K80514KROM128322個16位64K64K87514KEPROM128322個16位64K64K8031無128322個16位64K64K80C514KROM128322個16位64K64K87C514KEPROM128322個16位64K64K2其他51系列單片機(1)AT89系列單片機AT89系列單片機是美國ATMEL公司的8位Flash單片機產(chǎn)品，與MCS-51系列的單片機軟硬件兼容。該系列中有20引腳封裝的產(chǎn)品，體積的減小使其應用更加靈活。時鐘頻率的提高可使運算速度加快。在片含有Flash存儲器，

26、Flash存儲器是一種可以電擦除和電寫入的閃速存儲器簡記為FPEROM，這使開發(fā)調試更為方便。表3.2 AT89系列單片機常用產(chǎn)品特性一覽表型號片存儲器I/O口線定時/計數(shù)器模擬比擬器中斷源串行口程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器89C10511KBFEPROM64B151個16位1個3個無89C20512KBFEPROM128B152個16位1個5個2級UART89C514KBFEPROM128B322個16位無5個2級UART89C528KBFEPROM256B323個16位無6個2級UART(2)其他MCS-51系列兼容單片機為了進一步增強MCS-51系列單片機的功能，一些單片機生產(chǎn)廠商還對MCS-5

27、1系列單片機的硬件進展了擴大。如PHILIPS的8*C552系列，在80C51的根底上增加了一個16位的定時/計數(shù)器和一個8路輸入的10位A/D轉換器，并配有串行總線接口；80C51*A使單片機位數(shù)增至16位；Intel公司的80C51GA/GB也增加了A/D轉換功能。我國宏晶科技STC系列單片機我國宏晶科技公司的STC系列單片機具有低本錢，速度快，功耗低，兼容性好的特點。設計選用宏晶科技的STC89C52RC單片機作為系統(tǒng)計算核心。 STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘機器/周期可任

28、意選擇。主要特性如下：增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.工作電壓：5.5V3.3V5V單片機/3.8V2.0V3V單片機工作頻率圍：040MHz，相當于普通8051的080MHz，實際工作頻率可達48MHz用戶應用程序空間為8K字節(jié)片上集成512字節(jié)RAM通用I/O口32個，復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。ISP在系統(tǒng)可編程/IAP在應用可編程，無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口R*D/P3.0,T*D/P3.1

29、直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片具有EEPROM功能具有看門狗功能 單片機時鐘電路設計時鐘電路用于產(chǎn)生STC89C52RC單片機工作時所必需的時鐘信號。STC89C52RC本身就是一個復雜的同步時序電路。為保證同步工作方式的實現(xiàn)，STC89C52RC單片機應該在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行指令進展工作。時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準的，有條不紊的一拍拍的工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機的穩(wěn)定性。常用時鐘電路有兩種方式，一種是外部時鐘方式，另一種是部時鐘方式。外部時鐘方式外部時鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號，常用于

30、多片STC89C52RC單片機同時工作，以便于同步。對外部脈沖信號的要求一般為低于12MHz的方波。外部時鐘源直接接到*TAL2端，直接輸入到片的時鐘發(fā)生器上。電路見圖3.4。由于*TAL2的邏輯電平不是TTL的，故建議外接一個4.7K10K的上拉電阻。圖3.4 單片機外部時鐘方式電路部時鐘方式STC89C52RC單片機部有一個構成振蕩器的高增益發(fā)相放大器，該高增益發(fā)相放大器的輸入端為芯片引腳*TAL1，輸出端為*TAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，圖3.5是STC89C52RC單片機部時鐘方式的振蕩器電路。圖3.5 單片機部時鐘方式的電路本設計采用部

31、時鐘方式，選用6MHZ的石英晶體。外接電容的大小會影響晶體振蕩頻率的上下，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性。故電路中的外接電容C1,C2選用30pF來保證電路的穩(wěn)定性和準確度，為了提高溫度穩(wěn)定性，采用溫度穩(wěn)定性好的NPO高頻電容。在安裝時，晶體和電容盡可能和單片機安裝的近一點，目的是減少寄生容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。 單片機復位電路設計復位是單片機的初始化操作，只要給RESET引腳上加上2個機器周期以上的高電平信號，就可使STC89C52RC單片機復位。復位的主要功能是把PC初始化為0000H，是STC89C52RC單片機從0000H單元開場執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化外，當由于程

32、序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為了擺脫死鎖狀態(tài)，也可按復位鍵重新啟動。STC89C52RC的復位是由外部的復位電路實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次然后才能得到部復位操作所需要的信號。最簡單的上電自動復位電路如圖3.6。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要VCC上升的時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。圖3.6 上電自動復位電路除了上電復位，有時候還需要按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源VC

33、C接通實現(xiàn)的，按鍵手動電平復位電路如圖3.7。圖3.7 按鍵手動復位電路本設計采用按鍵手動復位電路，靈活性較好。C取22uF，RS取200，RK取1K。 單片機定時器/計數(shù)器設置本設計中單片機的設計電路如下列圖3.8所示：圖3.8 單片機設計電路在現(xiàn)代工業(yè)檢測，控制中，許多場合都要用到計數(shù)或定時功能。STC89C52RC單片機有三個可編程的定時器/計數(shù)器T0、T1、T2。三個定時器/計數(shù)器都有定時和計數(shù)兩種工作模式。計數(shù)工作模式計數(shù)功能是對外來脈沖進展計數(shù)。每當外部輸入脈沖反生負跳變時，計數(shù)器加1。2.定時工作模式定時功能也是采用計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，不過此時的脈沖來自單片機的部每經(jīng)過一個機器

34、周期，計數(shù)器加1。STC89C52RC單片機有四種工作方式方式0，方式1，方式2，方式3，通過對特殊功能存放器額編程，用戶可以方便的選擇定時器/計數(shù)器兩種工作模式和四種工作方式。定時器/計數(shù)器工作在方式0時，為13位計數(shù)器，由TL*=0，1的低五位和TH*的高八位所構成。最長可定時16.384ms。定時器/計數(shù)器工作在方式1時，為16位計數(shù)器，由TL*=0，1作為低位和TH*作為高八位所構成。最長可定時131.072ms。定時器/計數(shù)器工作在方式2時，為自動恢復初值的常數(shù)自動裝入8位定時器/計數(shù)器，由TH*作為常數(shù)緩沖器，當TL*計數(shù)溢出時，在置1溢出標志TF*的同時，還自動地將TH*的常數(shù)裝

35、入TL*，使TL*開場從初值重新計數(shù)。方式3是為了增加一個附加的8位定時器/計數(shù)器提供的。當定時器/計數(shù)器用作計數(shù)時，計數(shù)脈沖來自相應的外部輸入引腳T0/T1。當輸入信號產(chǎn)生由1到0的負跳變時，計數(shù)器的值增1.每個機器周期的S5P2期間，對外部脈沖進展采樣。由于確認一次負跳變需要花兩個機器周期，即24個震蕩周期，因此外部輸入的計數(shù)脈沖的最高頻率為振蕩器的1/24。在本設計中，使用T0作為定時器，T1作為計數(shù)器。為實現(xiàn)外部脈沖計數(shù)，在T0計時一秒時，讀出T1中的值。T1中的數(shù)值為外部脈沖頻率，即一秒鐘RC振蕩器產(chǎn)生的脈沖數(shù)目。3.3 顯示電路的設計 液晶顯示器的選擇隨著智能儀器設備的快速開展，液

36、晶顯示器的使用越來越普遍。與傳統(tǒng)的數(shù)碼管相比，液晶顯示器具有顯示信息多顯示規(guī)體積小和功耗低等優(yōu)點，因此是智能儀器智能設備顯示終端的首選。目前，液晶顯示器主要可分為點陣字符式和點陣圖形式。點陣字符式價格比擬低廉使用也比擬方便，但它一般只能顯示模塊預先存儲的幾十到一百個字符，使用受到一定的限制：而點陣圖形式可以根據(jù)需要顯示各種圖形曲線漢字和字符，因此有更加廣泛的用途。點陣字符型液晶顯示器專門用于顯示數(shù)字字母圖形符號及少量自定義符號的顯示器。這類顯示器把LCD控制器/點陣驅動器/字符存貯器全做在一塊印刷版上。本設計中采用常用的2行16列的字符型的LCD1602液晶模塊來顯示電容值。LCD1602采用

37、標準的14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為液晶顯示器比照度調整端，接正電源時比照度最弱，接地電源時比照度最高，比照度過高時會產(chǎn)生鬼影，使用時可以通過一個10K的電位器調整比照度第4腳：RS為存放器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時選擇指令存放器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進展讀操作，低電平時進展寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)

38、據(jù)線。第15腳：背光電源正極第16腳：背光電源負極LCD1602液晶模塊部的字符發(fā)生存儲器CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，如表1所示，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比方大寫的英文字母A的代碼是01000001B41H，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母A 。 顯示電路設計單片機P2口分別控制RSR/和使能端E。D0D7為LCD1602液晶模塊的8位雙向數(shù)據(jù)線，分別與STC89C52RC單片機的P1.0P1.7相連，用于傳輸數(shù)據(jù)。單片機與LCD1602液晶模塊連接圖如圖3.9。圖3

39、.9 顯示電路設計電容測試儀系統(tǒng)的軟件設計4.1 主程序流程圖圖4.1 主程序流程圖4.2 頻率參數(shù)計算的原理本設計頻率的計算采用單片機外部中斷，對外觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖頻率的測量，再通過對測量數(shù)據(jù)的校正來完成。單片機對頻率測量的原理如下列圖4.2所示。圖4.2 測頻率原理圖示 說明：圖4.3中t1時刻檢測到高電平開定時器1，開場計數(shù)；t2時刻等待檢測低電平；t3時刻第二次檢測到高電平時關定時器停頓計數(shù)。利用GATE=1,TR1=1,只有引腳輸入高電平時，T1才允許計數(shù)，利用此，將外部輸入脈沖經(jīng)引腳上輸入，等待高電平的到來，當檢測到高電平時開定時器開場計數(shù)，然后檢測低電平，當檢測到低電平時已經(jīng)測

40、得脈沖的脈寬，但我們測得是頻率，故在程序中藥繼續(xù)檢測等待下一個高電平的到來，此時關定時器停頓計數(shù)，用此計數(shù)值乘以機器的周期數(shù)(晶振頻率)，得出觸發(fā)電路產(chǎn)生的周期，然后再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便得到輸入信號的頻率。PCB板的設計及系統(tǒng)的調試5.1 Protel99SE介紹與PCB板的設計Protel99SE是應用于Windows9*/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進展聯(lián)網(wǎng)設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。一、

41、Protel99SE的系統(tǒng)組成按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99SE主要包含以下兩大局部和6個功能模塊。1、電路工程設計局部 (1)電路原理設計局部(Advanced Schematic 99)：電路原理圖設計局部包括電路圖編輯器(簡稱SCH編輯器)、電路圖零件庫編輯器(簡稱Schlib編輯器)和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關電路圖和零件庫的各種報表。(2)印刷電路板設計系統(tǒng)(Advanced PCB 99)：印刷電路板設計系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器(簡稱PCB編輯器)、零件封裝編輯器(簡稱PCBLib編輯器)和電路板組件

42、管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。(3)自動布線系統(tǒng)(Advanced Route 99)：本系統(tǒng)包含一個基于形狀(Shape-based)的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現(xiàn)PCB設計的自動化。2、電路仿真與PLD局部(1)電路模擬仿真系統(tǒng)(Advanced SIM 99)：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個數(shù)字/模擬信號仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號和模擬信號，以便對電路原理圖進展信號模擬仿真，從而驗證其正確性和可行性。(2)可編程邏輯設計系統(tǒng)(Advanced PLD 99)：可編程邏輯設計系統(tǒng)包含一個有語法功能的文本編輯器和一個

43、波形編輯器(Waveform)。本系統(tǒng)的主要功能是；對邏輯電路進展分析、綜合；觀察信號的波形。利用PLD系統(tǒng)可以最大限度的精簡邏輯部件，使數(shù)字電路設計到達最簡化。(3)高級信號完整性分析系統(tǒng)(Advanced Integrity 99：信號完整性分析系統(tǒng)提供了一個準確的信號完整性模擬器，可用來分析PCB設計、檢查電路設計參數(shù)、實驗超調量、阻抗和信號諧波要求等。二、Protel99SE的功能特性1、開放式集成化的設計管理體系2、超強功能的、修改與編輯功能3、強大的設計自動化功能本設計中，PCB的設計如圖5.1所示：圖5.1 PCB設計圖5.2 系統(tǒng)的調試單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件

44、，匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷開展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷開展，Keil4.0軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil4.0即可看出。Keil4.0提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部份組合在一起

45、。調試預通過Multisim10.0仿真的電路圖如圖5.2所示：圖5.2 Multisim 10.0仿真電路圖通過Multisim10.0得到RC振蕩局部的波形為方波，如圖5.3所示：圖5.3 RC振蕩電路輸出方波仿真5.3 系統(tǒng)的測試(1)測試原理：該電容測試儀以STC89C52RC單片機為核心，將被測電容對應的振蕩電路轉化為頻率實現(xiàn)電容值的測量。被測電容的振蕩頻率是用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的，將該振蕩頻率送入STC89C52RC的計數(shù)端端口，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出被測參數(shù)。以Keil4.0為仿真平臺，使用C語言編程編寫了運行程序；包括主程序模塊、顯示模塊和電

46、容測試模塊。(2)測試方法：測試時將被測電容通過該測試儀測量出來的值與被測電容的標稱值進展比照，進而可以計算該測試儀的測試精度。(3)測試儀器：示波器，萬用表，穩(wěn)壓電源，計算機。(4)測試結果：觀察測試結果，對設計進展進一步地校正，并記錄觀察結果。測試結果如下：表5.1 電容測試數(shù)據(jù)讀取示值標稱值相對誤差值%11.055101100123224.5 (5)測試分析：在實際測量中，由于測試環(huán)境，測試儀器，測試方法等都對測試值有一定的影響，都會導致測量結果或多或少地偏離被測電容的真值。為了減小本設計中的誤差，主要利用修正的方法來減小實際測量中的誤差。所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中，求取*類

47、系統(tǒng)誤差的修正值。在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取適宜的修正值很關鍵，修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關資料中查??；第二種途徑是通過理論推導求??；第三種途徑是通過實驗求取。本測試修正值是通過實驗求取，對影響測量讀數(shù)的各種影響因素，如溫度、濕度、電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差，通過對一樣被測參數(shù)的屢次測量結果和不同被測參數(shù)的屢次測量選取平均值，最后確定被測參數(shù)公式的常數(shù)K值，從而到達減小本設計系統(tǒng)誤差的目的?？偨Y與展望6.1 工作總結畢業(yè)論文是一次非常好的將理論與實際相結合的時機，通過對電容測試儀的設計，鍛煉了我的實際動手能力，增強了我解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計規(guī)以及

48、電腦制圖等專業(yè)能力水平。本設計的硬件電路圖簡單,可降低生產(chǎn)本錢。采用單片機可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)的體積,調試和維護方便，而且以MCS-51單片機最小系統(tǒng)為核心的設計能夠滿足了整個系統(tǒng)的工作需求，555定時器實現(xiàn)了被測電容參數(shù)的頻率化，將被測電容的頻率信號送入單片機計數(shù)，再經(jīng)過顯示電路顯示被測參數(shù)的測量值，運行程序用C語言編程，經(jīng)過測試，系統(tǒng)各個模塊都能正常工作，成功實現(xiàn)了設計的要求。整個系統(tǒng)的工作正常，符合了本畢業(yè)設計的全部要求。雖然本系統(tǒng)完成了設計設計要求，但其中仍然存在著很多需要改良的地方。作品實測中，測量電容值有一定的誤差，而且電容值越大時誤差越大，該誤差則是來源于振蕩電路產(chǎn)生的頻率和單片機程序上的誤差。希望在之后的設計之中能夠得到進一步解決。在人機交換方面，顯示局部可以改用顯示效果更好的液晶屏顯示，使系統(tǒng)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示更加清晰、更加人性化。6.2 技術展望隨著集成電路技術和數(shù)字電路技術的飛速開展，電容測量技術也得到了很好的開展。由于傳統(tǒng)的檢測電路已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測量的需要，研制更高精度和快響應速度的檢測電路成為必要。同時，隨著測控系統(tǒng)自動化、智能化的開展，要求數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的準確度更高，可靠性更強，并具有一定的