基于单片机的数字电容测量毕业论文文档格式.doc
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l周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京航空航天大学出版社
l中国期刊全文数据库。
l“电子技术应用”、“电子设计应用”、“单片机与嵌入式系统应用”等期刊。
l牛百齐.基于单片机的电容测量仪设计[J].仪器仪表用户.2005.04
l张俊谟.单片机原理中级教程:
原理与应用.[M].北京:
北京航空航天大学出版社.2006
完成期限:
2013.02~2013.05
指导教师签名:
专业负责人签名:
2013年1月8日
ABSTRACT
摘要
随着科技的不断发展,人类的不断进步,在电子技术领域的发展可谓突飞猛进,然而电容器在电子线路中得到广泛的应用,它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。
因此,电容量的测量在日常使用中就不可避免。
本设计详细介绍了一种基于单片机的数字式电容测量仪设计方案及实现方法。
设计的主要方法是采用555芯片构成单稳态触发器,将电容容量转换为脉冲宽度。
通过单片机的计时器测量脉宽,根据已知的R值,通过单片机的运算功能,计算出电容容量,最后,再通过单片机的普通I/O口控制液晶屏显示出电容容量的计算结果。
系统的测量范围为50pF~500uF,具有多个量程,可根据用户需要由用户选择,与用户的交互是通过键盘实现,不同量程的实现是通过单片机的I/O口控制继电器的吸合与断开来选择不同的R值,从而实现不同的量程。
同时,本设计注重设计方法及流程,首先根据原理设计电路,再通过protues仿真,利用keil编程,进而借助ares制作PCB,最后到焊接元器件,调试直至成功。
关键词单片机电容器555芯片脉冲宽度
I
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thecontinuousprogressofmankind,thedevelopmentisinthefieldofelectronictechnologymakeaspurtofprogress,however,thecapacitoriswidelyusedinelectroniccircuits,playsanimportantroleinitscapacitysizeoncircuitperformance.Therefore,themeasurementofcapacitanceisinevitableineverydayuse.
ThisdesignintroducesadesignschemeofdigitalcapacitancemeasuringinstrumentbasedonMCUandtherealizationmethod.Themainmethodisdesignedwith555chipmonostabletrigger,thecapacitanceisconvertedintopulsewidth.Throughthetimerpulsewidthmeasurementofsinglechipmicrocomputer,accordingtotheknownRvalue,throughthesingle-chipcomputingfunction,calculatecapacity,finally,throughthemicrocontrollerIOportcontrolLCDscreentodisplaytheresultscapacitorcapacity.Themeasurementrangeis50pF~500uF,havingapluralityofrange,accordingtouserneedscanbeselectedbytheuser,theinteractionwiththeuserthroughthekeyboard,therealizationofdifferentscalebySCMIOportcontrolrelayandbrokenatdifferentRvalues,soastoachievedifferentrange.Atthesametime,thedesignfocusonthedesignmethodandprocess,accordingtotheprincipleofcircuitdesign,throughtheProtuessimulation,usingkeilprogramming,andwiththehelpofAresPCB,andfinallytotheweldingcomponents,debugginguntilsuccess.
Keywords:
single-chipcapacitance555chippulsewidth
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1前言 1
2系统硬件电路设计 3
2.1设计方案选择 3
2.2AT89C51单片机基本系统 6
2.3测量电路 9
2.3.1555测量电路 9
2.3.2按键选择量程电路 10
2.3.3继电器控制电路 10
2.4液晶显示电路 11
3系统软件设计 11
3.1程序设计算法设计 11
3.2程序流程图设计 12
3.2.1主程序流程图 13
3.2.2中断程序流程图 14
3.2.3LCD显示流程图 15
3.2.4按键选择量程程序流程图 16
4PCB设计 16
4.1元器件的封装设计 17
4.2PCB板的制作 19
5系统仿真与实验调试 21
6致谢 24
参考文献 25
附录 26
附录1源程序 26
附录2总电路图 38
附录3元器件清单 39
附录4pcb设计图 40
附录5实际作品 41
前言
1前言
目前,随着电子工业的发展,电子元器件急剧增加,电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来,在应用中我们常常要测定电容的大小。
在电子产品的生产和维修中,电容测量这一环节至关重要,一个好的电子产品应具备一定规格年限的使用寿命。
因此在生产这一环节中,对其产品的检测至关重要,而检测电子产品是否符合出产要求的关键在于检测其内部核心的电路,电路的好坏决定了电子产品的好与坏,而电容在基本的电子产品的集成电路部分有着其不可替代的作用。
同样,在维修人员在对电子产品的维修中,电路的检测是最基本的,有时需要检测电路中各个部件是否工作正常,电容器是否工作正常。
因此,设计可靠,安全,便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。
当今电子测试领域,电容的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。
电容通常以传感器形式出现,因此,电容测量技术的发展归根结底就是电容传感器的发展。
由最初的用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器。
最初的电容传感器有变面积型,变介质介电常数型和变极板间型。
现在的电容式传感器越做越先进,现在用的比较多的有容栅式电容传感器,陶瓷电容压力传感器等。
电容测量技术发展也很快现在的电容测量技术也由单一化发展为多元化。
现在国内外做传感器的厂商也比较多,在世界范围内做电容传感器做的比较好的公司有:
日本figaro、德国tecsis、美国alphasense。
中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈。
尽管本土测试测量产业得到了快速发展,但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。
每当提起中国测试仪器落后的原因,就会有许多不同的说法,诸如精度不高,外观不好,可靠性差等。
实际上,这些都还是表面现象,真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为:
1.测试在整个产品流程中的地位偏低。
由于人们的传统观念的影响,在产品的制造流程中,研发始终处于核心位置,而测试则处于从属和辅助位置。
关于这一点,在几乎所有的研究机构部门配置上即可窥其一斑。
这种错误观念上的原因,造成整个社会对测试的重视度不够,从而造成测试仪器方面人才的严重匮乏,造成相关的基础科学研究比较薄弱,这是中国测量仪器发展的一个主要瓶颈。
实际上,即便是研发队伍本身,对测试的重视度以及对仪器本身的研究也明显不够。
2.面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立起来。
本土仪器设备厂商只是重研发,重视生产,重视狭义的市场,还没有建立起一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式。
传统的营销模式在计划经济年代里发挥过很大作用,但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。
所以,为了快速缩小与国外先进公司之间的差距,国内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向应用的研发的过渡。
特别是随着国内应用需求的快速增长,为这一过渡提供了根本动力,应该利用这些动力,跟踪应用技术的快速发展。
3.缺乏标准件的材料配套体系。
由于历史的原因,中国仪器配套行业的企业多为良莠不齐的小型企业,标准化的研究也没有跟上需求的快速发展,从而导致仪器的材料配套行业的技术水平较低。
虽然目前已有较大的改观,但距离整个产业的要求还有一定距离,所以,还应把标准化和模块化的研究放到重要的位置。
还有,在技术水平没有达到的条件下,一味地追求精度或追求高指标,而没有处理好与稳定性之间的关系。
上述这些都是制约本土仪器发展的因素。
近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视,状况有了很大改观。
测试仪器行业目前已经越过低谷阶段,重新回到了快速发展的轨道,尤其最近几年,中国本土仪器取得了长足的进步,特别是通用电子测量设备研发方面,与国外先进产品的差距正在快速缩小,对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。
随着模块化和虚拟技术的发展,为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机,加上各级政府日益重视,以及中国自主应用标准研究的快速进展,都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。
从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出,中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。
在此快速增长的过程中,无疑催生出了许多测试行业新创企业,也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。
40
2系统硬件电路设计
2.1设计方案选择
本次设计中考虑了三种设计方案,三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同,对于本设计三种方案均能够实现,最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了基于AT89C51单片机和555芯片构成的多谐振荡电路的测量的方案。
现在一一介绍论证如下:
方案一、利用多谐振荡原理测量电容测量原理如图2.1所示。
电容C电阻R和555芯片构成一个多谐振荡电路。
在电源刚接通时(K合上),电容C上的电压为零,多谐振荡器输出Vo为高电平Vo通过R对电容C充电。
当C上冲得的电压Vc=VT+时,施密特触发器翻转,Vo变为低电平,C又通过R放电,Vc下降。
当Vc=VT时施密特触发器又翻转,输出Vc又变为高电平,如此往复产生震荡波形。
由理论分析可知通过测得的校准值To测量值Tx及存放的软件中的标准电容值C可得出待测电容值Cx。
实际应用中也可以通过测量fo和fx来算出Cx。
图2.1多谐振荡器测量电容原理图
图2.2振荡波形图
测量误差分析:
经过软件校准后得出的Cx结果与Tx/To的值有关。
这样单片机晶振频率的绝对精度,环境温度的变化和电源电压的绝对精度引起的误差被消除。
测量结果主要受标准电容C的绝对精度影响,因此应该选择精度高、稳定性好的C;
其他误差来源包括周期测量的量化误差,除法运算产生的余数误差,电源电压的波动造成谐振频率偏移带来的误差,因此电路要用稳压性能好的稳压电源。
这种方法的利用了一个参考的电容实现,虽然硬件结构简单,软件实现却相对比较复杂。
方案二、直接根据充放电时间判断电容值
反向器
单稳态触发器
显示
窄脉冲触发器
秒脉冲发生器
译码器
锁存器
记数器
标准记数脉冲
图2.3电路原理框图
这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性Q=UC,放电常数τ=RC,通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。
一般情况下,可设计电路使T=ARC(T为振荡周期或触发时间;
A为电路常数与电路参数有关)。
这种方法中应用了555芯片组成的单稳态触发器,在秒脉冲的作用下产生触发脉冲,来控制门电路实现计数,从而确定脉冲时间,通过设计合理的电路参数,使计数值与被测电容相对应。
其原理框图如图2.3所示。
误差分析:
这种电容测量方法的误差主要由两部分组成:
一部分是由555芯片构成的振荡电路和触发电路由于非线性造成的误差,其中最重要的是单稳态触发电路的非线性误差,ΔCo/Co=ΔT/T(T由充放电时间决定,Co是被测电容值);
另一部分是由数字电路的量化误差引起,是数字电路特有的误差该误差相对影响较小,可忽略不计。
这种方法硬件结构相对复杂,实际上是通过牺牲硬件部分来减轻软件部分的负担,但在具体设计中会碰到很大问题,而且硬件一旦设计好,可变性不大。
方案三、基于AT89C51单片机和555芯片构成的多谐振荡电路电容测量
这种电容测量方法主要是通过一块555芯片来测量电容,让555芯片工作在直接反馈无稳态的状态下,555芯片输出一定频率的方波,其频率的大小跟被测量的电容之间的关系是:
f=0.772/(R*Cx),我们固定的大小,其公式就可以写为:
f=k/Cx,只要我们能够测量出555芯片输出的频率,就可以计算出测量的电容。
计算频率的方法可以利用单片机的计数器To和中断配合使用来测量,这种研究方法相当的简单。
系统框图见图2.4。
图2.4系统框图
图中给出了整个系统设计的系统框图,系统主要由四个主要部分组成,单片机和晶振电路设计,555芯片电路设计,显示电路设计,复位电路设计。
利用多谐震荡原理测量电容的方案硬件设计比较简单,但是软件实现相对比较复杂,而直接根据充放电时间判断电容值的方案虽然基本上没有用到软件部分,但是硬件却又十分的复杂。
而且他们都无法直观的把测量的电容值大小显示出来。
根据上面三种方案的优缺点,本次设计提出了硬件设计和软件设计都相对比较简单的方案:
基于AT89C51单片机和555芯片的数显式电容测量。
该方案主要是根据555芯片的应用特点,把电容的大小转变成555输出频率的大小,进而可以通过单片机对555输出的频率进行测量。
本方案的硬件设计和软件设计都相对简单。
2.2AT89C51单片机基本系统
本设计的核心是单片机电路,考虑到需要一个中断输入,存储容量、外部接口对单片机端口的需要以及兼顾到节约成本的原则,选用了常用的AT89C51单片机。
AT89C51是低功耗、高性能、经济的8位CMOS微处理器,工作频率为0—24MHz,内置4K字节可编程只读闪存,128x8位的内部RAM,16位可编程I/O总线。
它采用Atmel公司的非易储器制造技术,与MCS51的指令设置和芯片引脚可兼容。
AT89C51可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C51工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路,给单片机接上电源和地,单片机就可以工作了。
图2.5AT89C51单片机工作电路
AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。
AT89C51单片机片内复位,复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
图2.5兼有上电复位和按钮复位的电路。
在单片机设计中,若有外部扩展的I/O接口电路需初始复位,如果它们的复位端和AT89C51单片机的复位端相连,复位电路中的R、C参数要受到影响,这时复位电路中的R、C参数要统一考虑以保证可靠的复位。
如果单片机AT89C51单片机与外围I/O接口电路的复位电路和复位时间不完全一致,使单片机初始化程序不能正常运行,外围I/O接口电路的复位也可以不和AT89C51单片机复位端相连,仅采用独立的上电复位电路。
一般来说,单片机的复位速度比外围I/O快些。
若RC上电复位电路接AT89C51单片机和外围电路复位端,则能使系统可靠地同步复位。
为保证系统可靠复位,在初始化程序中应用到一定的复位延迟时间。
复位电路软件程序跑飞或者硬件发生错误的时候产生一个复位信号,控制MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序,重新执行软件程序。
此电路的输出端RESET接在单片机的复位引脚。
时钟在单片机中非常重要,单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。
时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式,一种是内部时钟方式,另一种为外部时钟方式。
AT89C51单片机内部有一个用与构成振荡器的高增益反相放大器,该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚接石英晶体振荡器和微调电容,就构成一个稳定的自激振荡器电路。
电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30PF左右。
对外接电容的值虽然没有严格的要求,但是电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体的振荡频率的范围通常是在1.2MHz—12MHz之间。
晶体的频率越高,则系统的时钟频率也就越高,单片机的运行速度也就越快。
为了提高温度稳定性,应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。
AT89C51单片机常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。
2.3测量电路
2.3.1555测量电路
图2.6测量电路
根据RC暂态电路理论可知,TW的时间宽度计算公式为:
TW=ln3RCX=1.1RCX(2.1)
由该公式可知,单稳态的暂态1持续时间与待测电容CX的容量成正比。
把输出信号VO送到单片机的INT0引脚,控制定时器0计算出暂态1期间的标准时钟个数,就可实现脉冲宽度测量,从而计算出电容容量。
在555芯片输出方波后,由于硬件的原因,输出的方波会有很多毛刺,为了去除这些毛刺本设计中使用了一个两输入与门(74HC08),让信号通过74HC08后会使输出的波形毛刺减少很多,使单片机的测量结果变得精确。
2.3.2按键选择量程电路
按键是实现人机对话的比较直观的接口,可以通过按键实现人们想让单片机做的不同的工作。
键盘是一组按键的集合,键是一种常开型开关,平时按键的两个触点处于断开状态,按下键是它们闭合。
键盘分编码键盘和非编码键盘,案件的识别由专用的硬件译码实现,并能产生键编号或键值的称为编码键盘,而缺少这种键盘编码电路要靠自编软件识别的称为非编码键盘。
在单片机组成的电路系统及智能化仪器中,用的更多的是非编码键盘。
图2-6就是一种比较典型的按键电路,在按键没有按下的时候,输出的是高电平,当按键按下去的时候,输出的低电平。
2.3.3继电器控制电路
在大型仪器仪表系统中,经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。
功率电子电路大多要求具有大电流输出能力,以便于驱动各种类型的负载。
功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。
本电路由ULN2003a高压大电流达林顿晶体管来控制继电器,以满足继电器驱动需较大电流的要求。
ULN2003a能够同时驱动7组高压大电流负载,解决了单片机输出电流小,难以控制继电器的问题。
如图2.6所示,单片通过机检测按键,确定那个键被按下,然后通过单片机的P1.0~P1.4口控制ULN2003A,驱动相应的继电器闭合,以此来控制555测量电路中的电阻从而改变测量电容的量程。
具体原理在软件算法设计上介绍。
按键开关继电器相应电阻测量范围
SWITCH1RL17.72Ω10μF~500μF
SWITCH2RL277.2Ω1μF~50μF
SWITCH3RL37.72KΩ0.01μF~5μF
SWITCH4RL4772KΩ100pF~0.05μF
SWITCH5RL57.72MΩ50pF~500pF
3系统软件设计
2.4液晶显示电路
图2.7LCD显示电路
如图2.7所示,本显示电路P0口接上拉电阻与lcd1602的D0-D7相连,LCD1602的1脚和3脚接一个1K的可调电阻,用于调节LCD的对比度。
我选用的是16脚带背光的LCD,在Proteus里面没有该引脚,在ares中绘制PCB封装时,我将其加上了。
实际电路是第15引脚串联了一个10欧姆的电阻与+5V电源相连接,第16引脚与接地端相连接。
单片机的P2.0、P2.1、P2.2分别与LCD的4,5,6引脚相连,分别控制LCD的寄存器选择段,读写信号端,使能端相连接,与D0-D7相结合,控制LCD的各种功能。
3.1程序设计算法设计
整个程序设计过程中遇到的最大的问题的如
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