基于單片機的數(shù)字電容測量畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 數(shù)字電容測量儀設(shè)計 二二一三年五月一三年五月 *學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題目題目 數(shù)字電容測量儀設(shè)計數(shù)字電容測量儀設(shè)計 專業(yè)專業(yè) 學(xué)號學(xué)號 ！#￥%#￥% 姓名姓名 ！#￥%#￥% 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等： 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 功能要求：通過單片機測量脈寬,計算容量,控制液晶屏顯示結(jié)果。系統(tǒng)測量范圍 50pf500uf,具有按鍵切換量程功能。 硬件要求：整個系統(tǒng)的硬件部分包括單片機，鍵盤、顯示和信號檢測等。 上述內(nèi)容為基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。

2、基本要求基本要求： 明確畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，復(fù)習(xí)與查閱有關(guān)資料。 按要求對設(shè)計進行簡要說明，總體設(shè)計方案，設(shè)計電路，使用計算機繪圖，畫出詳細 的電路接線圖，列出元器件清單。電路圖要求工整、清楚、正確，并標明管腳。 軟件編程必須有流程圖，程序必須加注釋，各程序段的開始要注明該段功能和作用。 要求使用 a4 打印稿，不少于 2 萬字。格式遵照學(xué)校規(guī)定。 主要參考資料：主要參考資料： 周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)m.北京航空航天大學(xué)出版社 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫。 “電子技術(shù)應(yīng)用” 、 “電子設(shè)計應(yīng)用” 、 “單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用”等期刊。 牛百齊.基于單片機的電容測量儀設(shè)計j. 儀器儀表用戶.2005.

3、04 張俊謨.單片機原理中級教程:原理與應(yīng)用. m.北京: 北京航空航天大學(xué)出版 社2006 完完 成成 期期 限：限： 2013.02 2013.05 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師簽簽名名： 專業(yè)負責(zé)人簽名：專業(yè)負責(zé)人簽名： 20132013 年年 1 1 月月 8 8 日日 摘摘 要要 隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進步，在電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展可謂突飛 猛進，然而電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對電路的性能 有著重要的作用。因此，電容量的測量在日常使用中就不可避免。 本設(shè)計詳細介紹了一種基于單片機的數(shù)字式電容測量儀設(shè)計方案及實現(xiàn)方 法。設(shè)計的主要方法是采用 555 芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,將

4、電容容量轉(zhuǎn)換為脈 沖寬度。通過單片機的計時器測量脈寬, 根據(jù)已知的 r 值，通過單片機的運算 功能，計算出電容容量,最后，再通過單片機的普通 i/o 口控制液晶屏顯示出 電容容量的計算結(jié)果。系統(tǒng)的測量范圍為 50pf 500uf, 具有多個量程，可根 據(jù)用戶需要由用戶選擇，與用戶的交互是通過鍵盤實現(xiàn)，不同量程的實現(xiàn)是通 過單片機的 i/o 口控制繼電器的吸合與斷開來選擇不同的 r 值，從而實現(xiàn)不同 的量程。同時，本設(shè)計注重設(shè)計方法及流程，首先根據(jù)原理設(shè)計電路，再通過 protues 仿真，利用 keil 編程，進而借助 ares 制作 pcb，最后到焊接元器件， 調(diào)試直至成功。 關(guān)鍵詞 單片機

5、 電容器 555 芯片 脈沖寬度 abstract with the development of science and technology, the continuous progress of mankind, the development is in the field of electronic technology make a spurt of progress, however, the capacitor is widely used in electronic circuits, plays an important role in its capacity size

6、on circuit performance. therefore, the measurement of capacitance is inevitable in everyday use. this design introduces a design scheme of digital capacitance measuring instrument based on mcu and the realization method. the main method is designed with 555 chip monostable trigger, the capacitance i

7、s converted into pulse width. through the timer pulse width measurement of single chip microcomputer, according to the known r value, through the single-chip computing function, calculate capacity, finally, through the microcontroller io port control lcd screen to display the results capacitor capac

8、ity. the measurement range is 50pf 500uf, having a plurality of range, according to user needs can be selected by the user, the interaction with the user through the keyboard, the realization of different scale by scm io port control relay and broken at different r values, so as to achieve different

9、 range. at the same time, the design focus on the design method and process, according to the principle of circuit design, through the protues simulation, using keil programming, and with the help of ares pcb, and finally to the welding components, debugging until success. keywords：single-chip capac

10、itance 555chip pulse width 目錄 摘摘 要要 .i i abstractabstract .iiii 1 1 前言前言.1 1 2 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.3 3 2.1 設(shè)計方案選擇 .3 2.2 at89c51 單片機基本系統(tǒng) .6 2.3 測量電路 .9 2.3.1 555 測量電路 .9 2.3.2 按鍵選擇量程電路 .10 2.3.3 繼電器控制電路 .10 2.4 液晶顯示電路 .11 3 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計.1111 3.1 程序設(shè)計算法設(shè)計.11 3.2 程序流程圖設(shè)計 .12 3.2.1 主程序流程圖 .13 3.2.2 中斷

11、程序流程圖 .14 3.2.3 lcd 顯示流程圖 .15 3.2.4 按鍵選擇量程程序流程圖 .16 4 4 pcbpcb 設(shè)計設(shè)計.1616 4.1 元器件的封裝設(shè)計.17 4.2 pcb 板的制作 .19 5 5 系統(tǒng)仿真與實驗調(diào)試系統(tǒng)仿真與實驗調(diào)試 .2121 6 6 致謝致謝.2424 參考文獻參考文獻 .2525 附附 錄錄 .2626 附錄附錄 1 1 源程序源程序 .2626 附錄附錄 2 2 總電路圖總電路圖 .3838 附錄附錄 3 3 元器件清單元器件清單 .3939 附錄附錄 4 4 pcbpcb 設(shè)計圖設(shè)計圖 .4040 附錄附錄 5 5 實際作品實際作品 .4141

12、 1 前言 目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范 圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小。 在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和維修中，電容測量這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，一個好的電子 產(chǎn)品應(yīng)具備一定規(guī)格年限的使用壽命。因此在生產(chǎn)這一環(huán)節(jié)中，對其產(chǎn)品的檢 測至關(guān)重要，而檢測電子產(chǎn)品是否符合出產(chǎn)要求的關(guān)鍵在于檢測其內(nèi)部核心的 電路，電路的好壞決定了電子產(chǎn)品的好與壞，而電容在基本的電子產(chǎn)品的集成 電路部分有著其不可替代的作用。同樣，在維修人員在對電子產(chǎn)品的維修中， 電路的檢測是最基本的，有時需要檢測電路中各個部件是否工作正常，電容器 是否工作正常。因此，設(shè)計可靠，安全，便捷的電容測試儀

13、具有極大的現(xiàn)實必 要性。 當今電子測試領(lǐng)域，電容的測量已經(jīng)在測量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)用的十分 廣泛。電容通常以傳感器形式出現(xiàn)，因此，電容測量技術(shù)的發(fā)展歸根結(jié)底就是 電容傳感器的發(fā)展。由最初的用交流不平衡電橋就能測量基本的電容傳感器。 最初的電容傳感器有變面積型，變介質(zhì)介電常數(shù)型和變極板間型。現(xiàn)在的電容 式傳感器越做越先進，現(xiàn)在用的比較多的有容柵式電容傳感器，陶瓷電容壓力 傳感器等。電容測量技術(shù)發(fā)展也很快現(xiàn)在的電容測量技術(shù)也由單一化發(fā)展為多 元化?，F(xiàn)在國內(nèi)外做傳感器的廠商也比較多,在世界范圍內(nèi)做電容傳感器做的比 較好的公司有：日本 figaro、德國 tecsis、美國 alphasense。中國

14、本土測量儀器 設(shè)備發(fā)展的主要瓶頸。盡管本土測試測量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中 國開發(fā)測試測量儀器還普遍比較落后。每當提起中國測試儀器落后的原因，就 會有許多不同的說法，諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等。實際上，這些 都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國測量儀器發(fā)展的瓶頸為： 1.測試在整個產(chǎn)品流程中的地位偏低。由于人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產(chǎn) 品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而測試則處于從屬和輔助位置。關(guān) 于這一點，在幾乎所有的研究機構(gòu)部門配置上即可窺其一斑。這種錯誤觀念上 的原因，造成整個社會對測試的重視度不夠，從而造成測試儀器方面人才的嚴 重匱乏，造成相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究比較薄弱，這是中

15、國測量儀器發(fā)展的一個主 要瓶頸。實際上，即便是研發(fā)隊伍本身，對測試的重視度以及對儀器本身的研 究也明顯不夠。 2.面向應(yīng)用和現(xiàn)代市場營銷模式還沒有真正建立起來。本土儀器設(shè)備廠商 只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場，還沒有建立起一套完整的現(xiàn)代營銷 體系和面向應(yīng)用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營銷模式在計劃經(jīng)濟年代里發(fā)揮過很大作 用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國外 先進公司之間的差距，國內(nèi)儀器研發(fā)企業(yè)應(yīng)加速實現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向 應(yīng)用的研發(fā)的過渡。特別是隨著國內(nèi)應(yīng)用需求的快速增長，為這一過渡提供了 根本動力，應(yīng)該利用這些動力，跟蹤應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。 3.缺乏標準件的材

16、料配套體系。由于歷史的原因，中國儀器配套行業(yè)的企 業(yè)多為良莠不齊的小型企業(yè)，標準化的研究也沒有跟上需求的快速發(fā)展，從而 導(dǎo)致儀器的材料配套行業(yè)的技術(shù)水平較低。雖然目前已有較大的改觀，但距離 整個產(chǎn)業(yè)的要求還有一定距離，所以，還應(yīng)把標準化和模塊化的研究放到重要 的位置。還有，在技術(shù)水平?jīng)]有達到的條件下，一味地追求精度或追求高指標， 而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。上述這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。 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，重新回到了快速發(fā)展的 軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進步，特別是通用電

17、子測量 設(shè)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(shù)的發(fā)展，為中國的測試測量儀 器行業(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(yīng)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。 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 2.1 設(shè)計方案選擇 本次設(shè)計中考慮了三種設(shè)計方案，三種設(shè)計方案中主要區(qū)別在于硬件電路 和軟件設(shè)計的不同，

18、對于本設(shè)計三種方案均能夠?qū)崿F(xiàn)，最后根據(jù)設(shè)計要求、可 行性和設(shè)計成本的考慮選擇了基于 at89c51 單片機和 555 芯片構(gòu)成的多諧振 蕩電路的測量的方案?，F(xiàn)在一一介紹論證如下： 方案一、利用多諧振蕩原理測量電容測量原理如圖 2.1 所示。電容 c 電阻 r 和 555 芯片構(gòu)成一個多諧振蕩電路。在電源剛接通時(k 合上)，電容 c 上的 電壓為零，多諧振蕩器輸出 vo 為高電平 vo 通過 r 對電容 c 充電。當 c 上沖 得的電壓 vc= vt+時，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，vo 變?yōu)榈碗娖?，c 又通過 r 放電， vc 下降。當 vc= vt 時施密特觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)，輸出 vc 又變?yōu)楦唠娖?，?/p>

19、此往 復(fù)產(chǎn)生震蕩波形。 由理論分析可知通過測得的校準值 to 測量值 tx 及存放的軟件中的標準電 容值 c 可得出待測電容值 cx。實際應(yīng)用中也可以通過測量 fo 和 fx 來算出 cx。 圖 2.1 多諧振蕩器測量電容原理圖 圖 2.2 振蕩波形圖 測量誤差分析：經(jīng)過軟件校準后得出的 cx 結(jié)果與 tx/to 的值有關(guān)。這樣 單片機晶振頻率的絕對精度，環(huán)境溫度的變化和電源電壓的絕對精度引起的誤 差被消除。測量結(jié)果主要受標準電容 c 的絕對精度影響，因此應(yīng)該選擇精度高、 穩(wěn)定性好的 c；其他誤差來源包括周期測量的量化誤差，除法運算產(chǎn)生的余數(shù) 誤差，電源電壓的波動造成諧振頻率偏移帶來的誤差，因

20、此電路要用穩(wěn)壓性能 好的穩(wěn)壓電源。 這種方法的利用了一個參考的電容實現(xiàn)，雖然硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件實現(xiàn)卻 相對比較復(fù)雜。 方案二、直接根據(jù)充放電時間判斷電容值 反向器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 顯示 窄脈沖觸發(fā)器 秒脈沖發(fā)生器 譯碼器 鎖存器 記數(shù)器 標準記數(shù) 脈沖 圖 2.3 電路原理框圖 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) =rc，通過測量與被測電容相關(guān)電路的充放電時間來確定電容值。一般情況 下，可設(shè)計電路使 t=arc( t 為振蕩周期或觸發(fā)時間；a 為電路常數(shù)與電路參 數(shù)有關(guān))。這種方法中應(yīng)用了 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

21、現(xiàn)計數(shù)，從而確定脈沖時間，通過設(shè)計合理 的電路參數(shù)，使計數(shù)值與被測電容相對應(yīng)。其原理框圖如圖 2.3 所示。 誤差分析：這種電容測量方法的誤差主要由兩部分組成：一部分是由 555 芯片構(gòu)成的振蕩電路和觸發(fā)電路由于非線性造成的誤差，其中最重要的是單穩(wěn) 態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差，co/co=t/t(t 由充放電時間決定，co 是被測 電容值)；另一部分是由數(shù)字電路的量化誤差引起，是數(shù)字電路特有的誤差該 誤差相對影響較小，可忽略不計。 這種方法硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，實際上是通過犧牲硬件部分來減輕軟件部分 的負擔(dān)，但在具體設(shè)計中會碰到很大問題，而且硬件一旦設(shè)計好，可變性不大。 方案三、基于 at89c51

22、單片機和 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 作在直接反饋無穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下，555 芯片輸出一定頻率的方波，其頻率的大小 跟被測量的電容之間的關(guān)系是：f=0.772/（r*cx） ，我們固定的大小，其公 r 式就可以寫為：f=k/cx，只要我們能夠測量出 555 芯片輸出的頻率，就可以計 算出測量的電容。計算頻率的方法可以利用單片機的計數(shù)器 to 和中斷error! 配合使用來測量，這種研究方法相當?shù)暮唵?。系統(tǒng)框圖見圖 2.4。 圖 2.4 系統(tǒng)框圖 圖中給出了整個系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由四個主要部分組成，單

23、片機和晶振電路設(shè)計，555 芯片電路設(shè)計，顯示電路設(shè)計，復(fù)位電路設(shè)計。 利用多諧震蕩原理測量電容的方案硬件設(shè)計比較簡單，但是軟件實現(xiàn)相對 比較復(fù)雜，而直接根據(jù)充放電時間判斷電容值的方案雖然基本上沒有用到軟件 部分，但是硬件卻又十分的復(fù)雜。而且他們都無法直觀的把測量的電容值大小 顯示出來。 根據(jù)上面三種方案的優(yōu)缺點，本次設(shè)計提出了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都相對 比較簡單的方案：基于 at89c51 單片機和 555 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，把電容的大小轉(zhuǎn)變成 555 輸出頻率的大小， 進而可以通過單片機對 555 輸出的頻率進行測量。本方案的硬件設(shè)計和軟件設(shè)

24、計都相對簡單。 2.2 at89c51 單片機基本系統(tǒng) 本設(shè)計的核心是單片機電路，考慮到需要一個中斷輸入，存儲容量、外部 接口對單片機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。at89c51 是低功耗、高性能、經(jīng)濟的 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)方法進行編程，也可以在線編 程。其將通用的微處理器和 flash 存儲器結(jié)合在一起，

25、特別是可反復(fù)擦寫的 flash 存儲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 接一個晶振和一個復(fù)位電路，給單片機接上電源和地，單片機就可以工作了。 圖 2.5 at89c51 單片機工作電路 at89c51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。at89c51 單片機片內(nèi)復(fù) 位，復(fù)位引腳 rst 通過一個斯密特觸發(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(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位 操作所需要的信號。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通 過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要 vcc 的上升時間不超過 1

26、ms，就可 以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。按鍵手動 復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 rst 端經(jīng)電阻與電源 vcc 接通而實現(xiàn)的。按鍵脈沖復(fù)位則是利用 rc 微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn) 的。 圖 2.5 兼有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位的電路。在單片機設(shè)計中，若有外部擴展 的 i/o 接口電路需初始復(fù)位，如果它們的復(fù)位端和 at89c51 單片機的復(fù)位端 相連，復(fù)位電路中的 r、c 參數(shù)要受到影響，這時復(fù)位電路中的 r、c 參數(shù)要 統(tǒng)一考慮以保證可靠的復(fù)位。如果單片機 at89c51 單片機與外圍 i/o 接口電 路的復(fù)位電路和復(fù)位時間不完全一致，使單片機

27、初始化程序不能正常運行，外 圍 i/o 接口電路的復(fù)位也可以不和 at89c51 單片機復(fù)位端相連，僅采用獨立 的上電復(fù)位電路。一般來說，單片機的復(fù)位速度比外圍 i/o 快些。若 rc 上電 復(fù)位電路接 at89c51 單片機和外圍電路復(fù)位端，則能使系統(tǒng)可靠地同步復(fù)位。 為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在初始化程序中應(yīng)用到一定的復(fù)位延遲時間。 復(fù)位電路軟件程序跑飛或者硬件發(fā)生錯誤的時候產(chǎn)生一個復(fù)位信號，控制 mcs-51 單片機從 0000h 單元開始執(zhí)行程序，重新執(zhí)行軟件程序。此電路的輸 出端 reset 接在單片機的復(fù)位引腳。 時鐘在單片機中非常重要，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基 準。時鐘

28、頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部 時鐘方式。 at89c51 單片機內(nèi)部有一個用與構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，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。這兩個引 腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(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。對外接電容的值雖 然沒有嚴格的要求，但是電容的大小會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

29、頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。 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。at89c51 單 片機常選擇振蕩頻率 6mhz 或 12mhz 的石英晶體。 2.3 測量電路 2.3.1 555 測量電路 圖 2.6 測量電路 根據(jù) rc 暫態(tài)電路理論可知, tw 的時間寬度計算公式為： tw = ln3rcx = 1. 1rcx （2.1） 由該公式可知,單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài) 1 持續(xù)時間與待測電容 cx 的容量成正比 。 把輸出信號 vo 送到單片機的 int0 引腳,控制定時器 0 計算出暫態(tài) 1 期間的 標準時鐘個數(shù), 就可實現(xiàn)脈沖寬度測量, 從

30、而計算出電容容量。 在 555 芯片輸出方波后，由于硬件的原因，輸出的方波會有很多毛刺，為 了去除這些毛刺本設(shè)計中使用了一個兩輸入與門（74hc08） ，讓信號通過 74hc08 后會使輸出的波形毛刺減少很多，使單片機的測量結(jié)果變得精確。 2.3.2 按鍵選擇量程電路 按鍵是實現(xiàn)人機對話的比較直觀的接口，可以通過按鍵實現(xiàn)人們想讓單片 機做的不同的工作。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型開關(guān)，平時按鍵 的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵是它們閉合。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤， 案件的識別由專用的硬件譯碼實現(xiàn)，并能產(chǎn)生鍵編號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別的稱為非編碼鍵

31、盤。在單片機組成 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 2-6 就是一種比較 典型的按鍵電路，在按鍵沒有按下的時候，輸出的是高電平，當按鍵按下去的 時候，輸出的低電平。 2.3.3 繼電器控制電路 在大型儀器儀表系統(tǒng)中,經(jīng)常要用到伺服電機、步進電機、各種電磁閥、泵 等驅(qū)動電壓高且功率較大的器件。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力, 以便于驅(qū)動各種類型的負載。功率驅(qū)動電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個重 要組成部分。本電路由 uln2003a 高壓大電流達林頓晶體管來控制繼電器,以滿 足繼電器驅(qū)動需較大電流的要求。uln2003a 能夠同時驅(qū)動 7 組高壓大電流負 載,解決了單

32、片機輸出電流小，難以控制繼電器的問題。 如圖 2.6 所示，單片通過機檢測按鍵，確定那個鍵被按下，然后通過單片 機的 p1.0p1.4 口控制 uln2003a，驅(qū)動相應(yīng)的繼電器閉合，以此來控制 555 測量電路中的電阻從而改變測量電容的量程。具體原理在軟件算法設(shè)計上介紹。 按鍵開關(guān) 繼電器 相應(yīng)電阻 測量范圍 switch1 rl1 7.72 10f500f switch2 rl2 77.2 1f50f switch3 rl3 7.72k 0.01f5f switch4 rl4 772k 100pf0.05f switch5 rl5 7.72m 50pf500pf 2.4 液晶顯示電路 圖2

33、.7 lcd顯示電路 如圖 2.7 所示，本顯示電路 p0 口接上拉電阻與 lcd1602 的 d0-d7 相連， lcd1602 的 1 腳和 3 腳接一個 1k 的可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié) lcd 的對比度。我 選用的是 16 腳帶背光的 lcd，在 proteus 里面沒有該引腳，在 ares 中繪制 pcb 封裝時，我將其加上了。實際電路是第 15 引腳串聯(lián)了一個 10 歐姆的電阻 與+5v 電源相連接，第 16 引腳與接地端相連接。單片機的 p2.0、p2.1、p2.2 分別與 lcd 的 4，5，6 引腳相連，分別控制 lcd 的寄存器選擇段，讀寫信號 端，使能端相連接，與 d0-d7

34、相結(jié)合，控制 lcd 的各種功能。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1 程序設(shè)計算法設(shè)計 整個程序設(shè)計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 計算所測量的電容的大小。在前面的介紹中我們知道：555 時基芯片的輸出頻 率跟所使用的電阻 r 和電容 c 的關(guān)系是：f=0.772/（r*cx） 。 又因為 t=1/f，所以 t=r*cx/0.772 (3.1) 即： cx=t*0.772/r (3.2) 如果單片機采用 12m 的晶振，計數(shù)器 t0 的值增加 1，時間就增加 1s， 我們采用中斷的方式來啟動和停止計數(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 t0，計數(shù)器的值

35、為 n1，第二次中斷到來停止 t0， 計數(shù)器器的值為 n2，則測量方波的周期為 t=（n2-n1）*1us，如何開始時刻 計數(shù)器的值 n1，則 t=n*10-6 簡單時序圖如圖 3-1 所示。 圖 3.1 時序圖 則： (3.3) 6 0.772 *10cn r 單片機的計數(shù)器的值 n=0-65535，為了測量的精度，n 的取值一般在 1005000，當電阻 r 越大，電容 c 的值就越小。我們?nèi)〔煌碾娮柚担偷?到不同的電容測量的量程。 第一檔：r1=7.72 c=*10-6*10 c=*10f 100 n 100 n 10f500f 第二檔：r1=77.2 c=*10-6 c=*1f 1

36、00 n 100 n 1f50f 第三檔：r1=7.72k c=*10-2*10-6 c=*10-2*1f 100 n 100 n 0.01f5f 第四檔：r1=772k c=*10-4*10-6 c=*10-4*1f 100 n 100 n 100pf0.05f 第五檔：r1=7.72m c=*10-5*10-6 c=*10-5*1f 50pf500pf 100 n 100 n 3.2 程序流程圖設(shè)計 流程圖是一種傳統(tǒng)的算法表示法，它利用幾何圖形的框來代表各種不同性 質(zhì)的操作，用流程線來指示算法的執(zhí)行方向。由于它簡單直觀，所以應(yīng)用廣泛， 特別是在早期語言階段，只有通過流程圖才能簡明地表述算法

37、，流程圖成為程 序員們交流的重要手段。 3.2.1 主程序流程圖 啟動555 等待第一次中斷 初始化 等待第二次中斷 檢測量程 計算被測電容 顯示 開始 圖 3.2 主程序流程圖 本程序主要是通過測量 555 發(fā)出脈沖的寬度來計算脈沖的周期，通過兩次 中斷來計算脈沖的寬度。因為不同量程對應(yīng)的算法不一樣，因此要先檢測量程， 再進行計算。 3.2.2 中斷程序流程圖 判斷開啟第一次中斷 開啟第二次中斷 關(guān)閉計數(shù)器 關(guān)閉中斷 取計數(shù)值 計數(shù)器清零 t_flag=0 t_flag=1 開啟計數(shù)器 返回 開始 返回 圖 3.3 中斷程序流程圖 如圖 3.3 所示，本中斷程序選用外部中斷 0，即 void

38、 int0(void) interrupt 0 。主程序在初始化的時間已經(jīng)開啟總中斷，并開啟了外部中斷即 ie=0 x81。并 且在初始化的時間設(shè)置計數(shù)器的工作方式，設(shè)置外部中斷觸發(fā)方式為下降沿觸 發(fā)，這樣可以使 555 發(fā)出的方波在相鄰的下降沿之間觸發(fā)中斷，計算 555 發(fā)出 方波的周期，從而計算電容的大小。對應(yīng)的中斷程序為 tmod=0 x09; it0=1; 由于 t_flag 在初始化的時間設(shè)置為 0，因此只要檢測到 555 發(fā)出方波的下降沿 就能觸發(fā)中斷，即 if(t_flag=1) tr0=1; 。然后通過計數(shù)等待下一次中斷。 當再次間的放到 555 發(fā)出方波的下降延時，停止 t0

39、。然后關(guān)閉中斷，關(guān)閉 555，將 t0 的計數(shù)賦值給 n，然后對計數(shù)器清零。 3.2.3 lcd 顯示流程圖 lcd初始化 設(shè)第一行顯示位置 顯示第一行內(nèi)容 設(shè)第二行顯示位置 顯示第二行內(nèi)容 開始 返回 圖 3.4 lcd 顯示流程圖 圖 3.4 程序用到了很多延時，是因為 lcd 處理速度慢于單片機的緣故。每 執(zhí)行一個指令，單片機都要等一等 lcd。 3.2.4 按鍵選擇量程程序流程圖 檢測按鍵 控制繼電器 開始 返回 圖 3.5 按鍵選擇量程程序流程圖 檢測量程時，主要是通過 p2 口的幾個按鍵。在這里按鍵程序我寫到了前 面，因為只有先通過檢測按鍵，單片機才能控制繼電器調(diào)到指定量程，進而才

40、 能使 555 發(fā)出在規(guī)定范圍內(nèi)的方波。同時，在計算電容大小時，又要檢測量程， 以使單片機跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的算法程序上，使計算結(jié)果正確的顯示出來，這一部分 在主程序中執(zhí)行。圖 3.5 是通功按鍵控制繼電器選擇量程的子程序流程圖。 4 pcb 設(shè)計 本次做畢業(yè)設(shè)計，在 pcb 設(shè)計上浪費了較長的時間。proteus 不僅具有仿 真功能，而且具有 pcb 設(shè)計功能，這樣直接可以將仿真好的原理圖文件生成 pcb 網(wǎng)絡(luò)連接圖，這樣免去了再次畫原理圖的麻煩。當然了，在工業(yè)上，由于 各大國內(nèi)廠商基本上只認 protel 做的板子，proteus ares 自然也就沒有那么多人 去注意了。protel 是 alt

41、ium 公司在 80 年代末推出的 eda 軟件，目前已經(jīng)發(fā)展 到 altium designer 2013，而國內(nèi)很多 pcb 廠商還只能識別 protel99 設(shè)計的板子， 這也凸顯了國內(nèi) pcb 行業(yè)較落后的現(xiàn)狀。 4.1 元器件的封裝設(shè)計 在設(shè)計 pcb 時，首先要做的是繪制庫中沒有的元器件的封裝。由于第一 次使用 ares，很多功能都不是很懂，很多原件封裝都要自己創(chuàng)建。在這里要提 一下 lcd1602，由于庫中 lcd1602 的封裝為 14 引腳，我買的是 16 引腳的， 而且?guī)熘蟹庋b的排列也不一致，于是，我便自己設(shè)計了 lcd 的封裝。 首先查閱相關(guān)資料，找出 lcd 元器件的規(guī)

42、格，以便于尺寸的設(shè)計，如圖 4.1 所示，是外形尺寸框圖： 圖 4.1 lcd 外形尺寸圖 如果按照上面的規(guī)格，將 lcd1602 的焊盤設(shè)置在相應(yīng)位置，那么在焊接 時恐不好焊接，經(jīng)過反復(fù)思考，我將焊盤設(shè)置在 lcd1602 的邊框之外，這樣 有利于焊接。圖 4.2 是我設(shè)計的封裝圖。 圖 4.2 lcd 封裝 當然，還有其它元件需要自己設(shè)計封裝，設(shè)計過程類似，不再贅述。 由原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表后，經(jīng)過了 4-5 次的布局，布局都不理想，要么是布 局不美觀，要么是排線排不通。如果考慮做成雙層板，因為我買的是雙列直插 式封裝原件，頂部焊盤是無法焊接的，如果考慮過孔，考慮到學(xué)校 pcb 制作 的條件，

43、是無法完成過孔連通的，于是，在不影響美觀的前提下，我選擇了跳 線。當然是從正面跳線，用電阻絲相連接，既不會影響背面的美觀，也不會影 響正面的美觀。具體 pcb 跳線請參看附錄 4 紅色部分。 還有一點需要提到的是，在設(shè)計封裝時，如果是用熱傳印法，就要求焊盤 應(yīng)該較大，在焊接時容易焊接。如果對每個原件的焊盤都進行重新設(shè)計，庫中 能用的封裝再要修改的話，我感覺工作量太大。于是我想到在底層絲印層對焊 盤進行加粗處理，在熱轉(zhuǎn)印時，將底層絲印層一塊打印出來即可，如圖 4.3 所 示： 圖 4.3 焊盤設(shè)計 圖 4.3 中鮮紅色即為在絲印層堆焊盤加粗的部分。 對 pcb 進行設(shè)計完之后，就開始制作 pcb

44、 了。本次主要用熱轉(zhuǎn)印發(fā)制作 pcb，所謂熱轉(zhuǎn)印制板，指的是使用激光打印機，將設(shè)計好的 pcb 圖形打印 到熱轉(zhuǎn)印紙上，再將熱轉(zhuǎn)印紙緊貼在覆銅板的銅箔面上，以適當?shù)臏囟燃訜幔?轉(zhuǎn)印紙上原先打印上去的圖形（其實是碳粉）就會受熱融化，并轉(zhuǎn)移到銅箔面 上，形成腐蝕保護層。這種方法比常規(guī)制版印刷的方法更簡單，而且現(xiàn)在大多 數(shù)的電路都是使用計算機輔助設(shè)計，激光打印機也相當普及，因此這個工藝比 較容易實現(xiàn)。 4.2 pcb 板的制作 pcb 圖的打印方法 啟動 ares 一打開設(shè)計的 pcb 圖-單擊菜單欄中的輸出一獲得打印設(shè)計對話 框。選中層/工藝版圖對話框，選中 bottom copper 的復(fù)選框以

45、及 bottom silk 的 復(fù)選框?？s放比例選擇 100%，彩色和顏色反轉(zhuǎn)均不選，然后可以移動 pcb 在 a4 紙打印的位置，最后選擇打印即可。圖 4-4 為熱轉(zhuǎn)印的圖： 圖 4.4 熱轉(zhuǎn)印圖 覆銅板的下料與處理 1)用鋼鋸根據(jù) pcb 的規(guī)劃設(shè)計時的尺寸對覆銅板進行下料。 2)用挫刀將四周邊緣毛刺去掉。 3)用細砂紙或少量去污粉去掉表面的氧化物。 4)清水洗凈后，晾干或擦干。 pcb 圖的轉(zhuǎn)貼處理 1）將熱轉(zhuǎn)印紙平鋪于桌面，有圖案的一面朝上。 2）將單面板置于熱轉(zhuǎn)印紙上，有覆銅的一面朝下。 3）將覆銅板的邊緣與熱轉(zhuǎn)印紙上的印制圖的邊緣對齊。 4）將熱轉(zhuǎn)印紙按左右和上下彎折 180。然后

46、在交接處用透明膠帶粘接。 pcb 圖的轉(zhuǎn)印 1)將制版機放置平穩(wěn)，接通電源，輕觸電源啟動鍵兩秒，電機和加熱器將 同時進入工作狀態(tài)。 2)按下【溫度】鍵，同時再按下上或下鍵，將溫度設(shè)定在 150。 3)按下【轉(zhuǎn)速】鍵，同時再按下上或下鍵，設(shè)定電機轉(zhuǎn)速比，可采用 默認值。 4)按下【溫度】和【轉(zhuǎn)速】鍵，可查看顯示“加熱比” 。當為“0”時：加 熱功率為 0，當為“255時：加熱功率為 100。 “加熱比”只能查看無需手 動調(diào)整。 5)當顯示器上的溫度顯示在接近 150時，將貼有熱轉(zhuǎn)印紙的敷銅板放進 快速制板機中進行熱轉(zhuǎn)印。 轉(zhuǎn)印 pcb 圖的處理 1)轉(zhuǎn)印后，待其溫度下降后將轉(zhuǎn)印紙輕輕掀起一角進行

47、觀察，此時轉(zhuǎn)印紙 上的圖形應(yīng)完全被轉(zhuǎn)印在敷銅板上。 2)如果有較大缺陷，應(yīng)將轉(zhuǎn)印紙按原位置貼好，送人轉(zhuǎn)印機再轉(zhuǎn)印一次。 3)如有較小缺陷，請用油性記號筆進行修補。 pcb 板的腐蝕 1)在腐蝕盆中加少量水，然后加入 fecl3 粉末。 2)帶好乳膠手套，以防腐蝕液侵蝕皮膚。 3）將熱轉(zhuǎn)印好的覆銅板小心放入腐蝕盆中，來回晃動腐蝕盆，使 fecl3 溶液完全接觸覆銅板，這樣持續(xù) 10 分鐘左右，等覆銅板表面的銅被完全腐蝕 掉后，露出清晰地布線，表示已經(jīng)腐蝕好了，這是可以將銅板取出，用清水沖 洗干凈，晾干，等待下一步處理。 pcb 板的打孔 1)將腐蝕好的銅板放在鉆床上。 2)對準電路板上的焊盤中心

48、進行鉆孔。定位錐可以磨掉鉆孔附近的墨粉， 形成一個非常干凈的焊盤。 3)配制酒精松香助焊劑，對焊盤涂蓋助焊劑進行保護。 5 系統(tǒng)仿真與實驗調(diào)試 由于在測量電容時是通過兩次中斷來計算方波周期的，而中斷的引起是由 脈沖下降沿控制的。因此，對 555 發(fā)出脈沖的波形要求較高，否則可能引起下 降沿判斷錯誤造成測量誤差。在沒有加 74hc08 之前輸出的波形如圖 5.1 所示： 圖5.1 沒加74hc08輸出波形 由示波器可以看出，555 發(fā)出的脈沖，波形并不是很好。在加了 74hc08 之后的輸出波形就好多了，如圖 5.2 所示： 圖5.2 加了74hc08輸出波形 二者的比較如圖 5.3 所示： 圖

49、5.3 二者的比較 根據(jù) rc 暫態(tài)電路理論可知, tw 的時間寬度計算公式為 5-1： tw = ln3rcx = 1. 1rcx （5.1） 電阻的大小對測量電容有較大的影響：因此電阻直接影響到電容的測量精 度。我用一個 47uf 的電容對電阻進行校正，如圖 5.4 所示： 圖 5.4 校正測量 圖 5.5 測量 220uf 電容圖片 圖 5.6 220uf 仿真測量值 表 5.1 為實際測量值與標稱值的比較： 表 5.1 測量誤差對比表 標稱值測量值準確率 220uf202uf91.8% 4.7uf4uf85.1% 0.22uf0.26uf84.6% 1000pf930pf93% 本次畢

50、業(yè)設(shè)計要求測量范圍 50pf500uf，測量范圍基本達到，測量精度 有待進一步提高。 完成了設(shè)計任務(wù)的全部要求，但無法得到十分精確的測量結(jié)果，這主要是 有以下幾點原因，首先單片機對于脈沖寬度的測量精確度有限，其次是外界的 干擾對波形有一定的影響，還有硬件自身也有一部分原因。希望在之后的設(shè)計 之中能夠得到進一步解決。 6 致謝 畢業(yè)設(shè)計是一次非常好的將理論與實際相結(jié)合的機會，通過對電容測試儀 的課題設(shè)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(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。 本論文是在導(dǎo)師！#￥%教授的悉心指導(dǎo)下完成的。無論是硬件電路的 改進

51、，還是在軟件設(shè)計的思路，都給予我耐心細致的指導(dǎo)。鄭導(dǎo)師淵博的專業(yè) 知識，嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，以及平 易近人的人格魅力對我影響深遠。鄭導(dǎo)師多次詢問研究進程，并為我指點迷津， 幫助我開拓研究思路，精心點撥。在后期論文的編排上，#￥%導(dǎo)師師也付 諸了大量的心血。在此，對！#師表示深深地感謝。 大學(xué)馬上生活馬上就要結(jié)束了，感謝以前的任課老師及我的母校對我的培 養(yǎng)，沒有他們，我是不可能學(xué)到這么多知識的。 最后，感謝百度文庫，百度知道，google 搜索及中國論文網(wǎng)等提供的參考 資料。 參考文獻 1張毅剛主編，mcs-51 單片機應(yīng)用系統(tǒng)，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，

52、1997.12 2申忠如，申淼，譚亞麗主編，mcs-51 單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計，西安：西安交通大學(xué) 出版社，2008 年 3 月第 1 版 3付曉光主編，單片機原理與使用技術(shù)，北京：清華大學(xué)出版社，2007.11 4李桂安主編，電子技術(shù)實驗及課程設(shè)計，南京：東南大學(xué)出版社，2008.8 5夏繼強主編，單片機實驗與實踐教程，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.9 6肖洪兵主編，跟我學(xué)用單片機，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.10 7 丁英麗主編，交流型微小電容測量電路的設(shè)計，北京：電工技術(shù)雜志，2003.5 8 王毓銀主編，數(shù)字電路邏輯設(shè)計，北京：高等教育出版社，1999.9 9 李

53、海清，黃志遙，王寶涼主編，電容傳感器新型微弱電容測量電路，北京：傳感技 術(shù)學(xué)報，2002.5 10 羅民昌主編，集成電路系統(tǒng)，北京：中國鐵道出版社，1998.9 11 pcb-based capacitive touch sensing with msp430 application report slaa363a june 2007 revised october 2007 附 錄 附錄 1 源程序 #include reg52.h #includeintrins.h/庫函數(shù) #define data p0 sbit rw=p21;/1602 寫數(shù)據(jù) sbit rs=p20;/1602 寫地

54、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 時基芯片工作控制信號 sbit key1=p23; sbit key2=p24; sbit key3=p25; sbit key4=p26; sbit key5=p27; unsigned int t_flag,n,c,i,dis1,dis0; unsigned int b9=0x13,0x0d,0x00,0x00,0 x00,0 x00,0 x00,0x25,0x16; / 顯示 c=00000uf /*延時 1ms*/ void del

55、ay1ms(unsigned int mm) unsigned int i; for(mm;mm0;mm-) for(i=100;i0;i-); /*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 /*lcd 寫命令函數(shù)*/ void wcomd(unsigned char cmd) checkstates(); rs=0; rw=0; data=cmd; en=1;

56、_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); en=0; /*lcd 寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/ void wdata(unsigned 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(0 x38);/功能設(shè)置 delay1ms(5); wcomd(0 x38);/功能設(shè)置 delay1ms(5); wcomd(0 x01);/清屏 delay1ms(5)