基于單片機(jī)的電容表設(shè)計

1、1、 概述測量技術(shù)是信息化制造技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。可廣泛用于電容的參數(shù)測量、分析和元件篩選的電容參數(shù)測量儀更是不可或缺。本文介紹了一種基于AT89C51單片機(jī)的電容參數(shù)測量儀。本設(shè)計的電容參數(shù)測量儀成本低，體積小，且有如下特征：測量范圍廣，且測量范圍可通過增加基準(zhǔn)點的方法進(jìn)一步擴(kuò)大；測量結(jié)果不易受環(huán)境溫度影響；能通過鍵盤電路便捷的改變測量量程和測量類型；能自動根據(jù)不同頻率調(diào)整測頻算法；采用固定插座使對元件的測量更加方便、穩(wěn)定。二、方案論證（1）主要內(nèi)容：設(shè)計一個電容測量儀。該測量儀設(shè)計工作包括2個部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要包括電容參數(shù)測量電路和顯示等。軟件設(shè)計主要完成插值測量方法。（

2、2）主要功能：電容測量精度5%，范圍：100pF10000pF。方案一：基于單片機(jī)的頻率測量法。把待測電容接入到由NE555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路中振蕩，輸出端將會產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩頻率f，然后用單片機(jī)對該振蕩頻率f測量后，便可運算求出電容的值并顯示。方案一原理框圖如圖1所示： 555多諧振蕩電路單片機(jī)數(shù)碼管顯示被測電容量程選擇圖1 基于單片機(jī)的頻率測量法原理框圖方案二：模擬電路法。如果三角波輸入給以被測電容器作為微分電容的微分電路，在電路參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)臈l件下，微分電路的輸出幅度與成正比。再經(jīng)峰值檢測電路或精密整流及濾波電路，可以得到與Cx成正比的直流電壓Ux 。然后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，便可實現(xiàn)所要

3、求的函數(shù)關(guān)系，將結(jié)果送給數(shù)字顯示器。原理框圖如圖2所示：RixCxUiUx+整流濾波或峰值檢測電路三角波發(fā)生器- + A/D轉(zhuǎn)換器 數(shù)字顯示器R圖2 模擬電路法原理方框圖本設(shè)計采用的是方案一，555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)延時較容易實現(xiàn)且電路不復(fù)雜，操作簡單，體積小、受外界環(huán)境影響小、精度高、價格低廉等特點，具有較好的市場前景。3、 電路設(shè)計總體思路： 待測電容Cx通過555多諧振蕩電路輸出頻率f,由于被測電容范圍是10010000pF，所以諧振電路輸出頻率在Hz左右。該頻率通過單片機(jī)的定時器T1使頻率降低20000倍以方便測量，產(chǎn)生的新頻率再進(jìn)入單片機(jī)的定時器T0，利用T0的門控制位GATE測量脈

4、沖寬度。得到單個脈沖中的機(jī)械周期數(shù)。由于采用的單片機(jī)晶振是12MHz，所以一個機(jī)械周期為1s。設(shè)量程為100010000pF時，Cx=AF (1000A10000)，通過諧振電路產(chǎn)生的信號周期,再通過定時器T1得到的周期,在通過定時器T0得到單個脈沖中的機(jī)械周期個數(shù)，所得個數(shù),整理得，為了方便輸出欲使B=A，則使,此要求可在電容選擇上完成，最后將所得B輸出并顯示在數(shù)碼管上即完成電容的測量。假設(shè)待測電容Cx為3000pF，則數(shù)碼管顯示器上應(yīng)顯示3000，單位默認(rèn)為pF。同理，當(dāng)量程為1001000pF時，使，得到的B=10A，只要將數(shù)碼管的第三位的小數(shù)點點亮即完成，此調(diào)節(jié)在量程選擇時同步完成。假

5、設(shè)待測電容Cx為400pF，則數(shù)碼管顯示器上應(yīng)顯示400.0，單位默認(rèn)為pF。1.電容轉(zhuǎn)換電路設(shè)計待測電容Cx容值的測量，是通過測量將其接到555多諧振蕩電路中輸出的頻率f而得到。依照設(shè)計要求，電容的測量范圍為100pF10000pF，那么根據(jù)555多諧振蕩電路輸出頻率的公式電容轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示：圖3 電容轉(zhuǎn)換電路圖2. 量程選擇電路設(shè)計本實驗將量程分為1001000pF和100010000pF兩段量程。通過開關(guān)SW-DPDT改變的值和數(shù)碼管的小數(shù)點以改變量程，令為43，調(diào)節(jié)開關(guān)SW1，使其與相連，為50.6，則，并點亮第三位小數(shù)點，此為100010000pF量程檔；調(diào)節(jié)開關(guān)SW1，使其與

6、相連，為700，則，并熄滅第三位小數(shù)點，此為10000pF量程檔。電路圖如圖4所示：圖4 量程選擇電路 3.單片機(jī)基本電路設(shè)計 本設(shè)計運用的主處理器為AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)通常是指芯片本身，在它上面集成的是一些作為基本組成部分的運算器電路、控制器電路、存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及輸入/輸出口電路等。但一個單片機(jī)芯片并不能把主處理器單元的全部電路都集成到其中，在實際的控制應(yīng)用中，常常還需要擴(kuò)展外圍電路和外圍芯片。如晶振電路、復(fù)位電路、蜂鳴電路、LED指示燈電路等，這些電路的元件在單片機(jī)系統(tǒng)中只能以散件的形式出現(xiàn)。本設(shè)計中的主處理單元主要應(yīng)用了晶振電路和復(fù)位電路，其詳細(xì)設(shè)計如下。(1

7、)晶振電路晶振是一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的共振頻率的元件。在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時鐘頻率。單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機(jī)運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。在晶振電路中，由于晶振與單片機(jī)的腳XTAL0和腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生諧波，這個波對電路的影響不大，但會降低電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性，所以為了提高電路的穩(wěn)定性，晶振需要與電容配合工作。在晶振的兩引腳處接入兩個10pf-50pf的瓷

8、片電容接地即可削減諧波對電路的穩(wěn)定性的影響。另外，晶振所配的電容不是為了調(diào)節(jié)頻率值，只是起穩(wěn)定作用，在10pF-50pF之間都可以，所以本設(shè)計的晶振電路中選用的電容為30pF，晶振為12MHz。(2) 復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟動運行時，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)

9、位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。本設(shè)計采用開關(guān)復(fù)位。電路原理如圖5所示：圖5 單片機(jī)基本電路圖 4.數(shù)碼管顯示電路設(shè)計本設(shè)計的顯示單元主要包括單片機(jī)AT89C51和7SEG-MPX4-CA數(shù)碼管顯示器。通過單片機(jī)將所測得的數(shù)據(jù)處理后，控制7SEG-MPX4-CA數(shù)碼管顯示器輸出。其電路原理圖如圖6所示。圖6 顯示單元電路原理圖單片機(jī)的P0.0P0.7口分別與數(shù)碼管的adp引腳相連接，來顯示所測量的數(shù)據(jù)。由于7SEG-MPX4-CA是共陽極數(shù)碼管，所以在adp引腳分別接高電平。單片機(jī)的P2.4P2.7口分別與數(shù)碼管的選位端口14引腳相連接。四、性能的

10、測試1.電容參數(shù)測試儀的測試 表1 電容參數(shù)測試儀測試數(shù)據(jù)表量程1001000pF100010000pF實際值500pF2500pF測量值499.9pF2503pF下圖為模擬仿真圖。圖7，圖8分別為該設(shè)計測500pF電容，測2500pF的仿真圖。圖7 測500pF電容仿真圖圖8 測2500pF電容仿真圖5、 結(jié)論本次設(shè)計在硬件上運用的都是較常用、較基本的元器件，且電路簡單，既保證操作便捷又使系統(tǒng)的成本和體積得到很好的控制。在軟件上運用了定時器中斷原理和定時器利用門控制位測脈沖寬度2種測頻算法，使電容參數(shù)的測量更加快速、精確，不受系統(tǒng)內(nèi)部電路元件和外界環(huán)境溫度的影響。因此有較好的市場前景。然而，

11、本次設(shè)計雖然已經(jīng)完成了各項指標(biāo)，但還有很大的改進(jìn)空間。首先在硬件方面，主處理器可以采用性價比更高的芯片，使對振蕩頻率的測算更加精確；鍵盤電路的布局可以更加合理，以達(dá)到更加便捷的控制；可以在系統(tǒng)內(nèi)增加電池供電電路，使測量儀在戶外也可以使用。在軟件方面，可以通過增加基準(zhǔn)點個數(shù)，來進(jìn)一步擴(kuò)大測量范圍和測量精度；可以繼續(xù)優(yōu)化測頻算法，從而使測量時間更短，測量結(jié)果的顯示更加穩(wěn)定。6、 性價比電路不復(fù)雜，操作簡單，體積小、受外界環(huán)境影響小、精度高、價格低廉等特點，具有較好的市場前景。七、課設(shè)體會及合理化建議這次的課程設(shè)計即將結(jié)束，在這里我要對自己這幾個星期的付出作一個小小的總結(jié)。首先我再次非常深刻的體會到

12、了，課程設(shè)計真是一個非常鍛煉人的課程，它將理論與實踐完美的結(jié)合在一起，在充分鍛煉了我們思考能力后，也完全鍛煉了我們動手實踐的能力。這對我們以后無論在工作還是生活中都打下了很好的基礎(chǔ)。雖然這次的課程設(shè)計我完成的不夠完美，但是我還是可以欣慰的告訴自己，我已經(jīng)全身心的投入到其中了，并且我也從中體會到了失敗與成功。通過這次的課程設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)自己對電子信息這門專業(yè)又有了全新的認(rèn)識，它不像我剛開始認(rèn)為的那么枯燥、單調(diào)，學(xué)習(xí)它的過程也有人生一樣的起起伏伏，我相信以后的道路上我也會一直與它為伴。參考文獻(xiàn)1 郎科偉，潘欣裕，董興法.基于單片機(jī)的RLC智能測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)J. 蘇州科技學(xué)院學(xué)報（工程技術(shù)版），2

13、010.4.2 丁金林，王峰.智能RCL測量儀的設(shè)計J. 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，2.3 朱華光，朱瑋瑋.RLC串聯(lián)諧振電路的實驗研究J. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，21.4 王福瑞單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計大全M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：335-3385 劉新如何正確使用LCR測試儀測量電子元件J計量與測試技術(shù)，2008，33(5)：12-146 任斌，余成，陳衛(wèi)基于頻率法和MCU的智能RLC測量儀研制J微計算機(jī)信息，2007，287 沈曉谷采用脈沖計數(shù)法以單片機(jī)實現(xiàn)電容的測量J上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，6(4)：290-2938 張毅剛.劉杰主編.MCS-51單片機(jī)原理及

14、應(yīng)用M .哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.99 曹丙霞 等編著. Protel 99 SE原理圖于PCB設(shè)計M .電子工業(yè)出版社，2007.3 10 黃智偉. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200611 張毅剛. 新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計M. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.附錄I 總電路圖附錄II 元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1U1 單片機(jī)AT89C5112U2NE555NE55513U3數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA14U4與非門74LS0015R1R3電阻43/50.6/70036RP1電阻條10K*817C1C3電容100/30/3

15、0pF38DSW1電源開關(guān)DIPSW-219SW1雙位雙刀開關(guān)SW-DPDT110X1晶振12MHz111S1開關(guān)SW-PB1附錄III 程序清單 ORG 0000H LJMP MAIN1 ORG 001BH CPL P1.0 RETI ORG 0D000H MAIN1:MOV TMOD,#56H MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0AFH SETB TR1 MAIN2：MOV TL0,#00H MOV TH0,#00H LOOP0:JB P3.3,LOOP0;等待P3.3低 SETB TR0;如果為低，啟動T1 LOOP1:JNB P3.3,LOOP1 ;等待P3.3升高 LOOP

16、2:JB P3.3,LOOP2 ;等待P3.3降低 CLR TR0 ;停止T1計數(shù) MOV R7,TL0 ;T1計數(shù)值送入 MOV R6,TH0CALL H_TO_D ;調(diào)用轉(zhuǎn)換子程序H_TO_D:CLR AMOV R1,AMOV R4,AMOV R5,AMOV R2,#10HH_TO_D_1:MOV A,R7RLC AMOV R7,AMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,R5ADDC A,R5DA AMOV R5,AMOV A,R4ADDC A,R4DA AMOV R4,AMOV A,R1ADDC A,R1MOV R1,A ;萬位DJNZ R2,H_TO_D_1MOV A,R

17、4ANL A,#0F0HSWAP AMOV R2,A ;千位 MOV A,R4ANL A,#0FH MOV R3,A ;百位MOV A,R5ANL A,#0F0HSWAP AMOV R4,A ;十位MOV A,R5ANL A,#0FH MOV R5,A ;個位 LOOP3:LCALL DIR ;調(diào)用顯示子程序AJMP LOOP3DIR:MOV DPTR,#NUMTAB ;指定查表啟始地址MOV R6,#4 DPL1: MOV R7,#250 ;DPLOP: MOV A,R5 ;取個位數(shù)MOVC A,A+DPTR ;查個位數(shù)的7段代碼MOV P0,A ;送出個位的7段代碼SETB P2.7 ;開

18、個位顯示ACALL D1MS ;顯示162微秒CLR P2.7;關(guān)閉個位顯示,防止鬼影MOV A,R4 ;取十位數(shù)MOVC A,A+DPTR ;查十位數(shù)的7段代碼MOV P0,A ;送出十位的7段代碼SETB P2.6 ;開十位顯示ACALL D1MS ;顯示162微秒CLR P2.6;關(guān)閉十位顯示,防止鬼影MOV A,R3 ;取百位數(shù)MOVC A,A+DPTR ;查百位數(shù)的7段代碼MOV P0,A ;送出百位的7段代碼SETB P2.5 ;開百位顯示ACALL D1MS ;顯示162微秒CLR P2.5;關(guān)閉百位顯示,防止鬼影MOV A,R2 ;取千位數(shù)MOVC A,A+DPTR ;查千位數(shù)

19、的7段代碼MOV P0,A ;送出千位的7段代碼SETB P2.4 ;開千位顯示ACALL D1MS ;顯示162微秒CLR P2.4;關(guān)閉千位顯示,防止鬼影DJNZ R6,DPLOP ;循環(huán)執(zhí)行250次DJNZ R7,DPL1 ;循環(huán)執(zhí)行250X4=1000次RETD1MS: MOV R7,#80;2+2X80=162微秒,延時按12MHZ計算 DJNZ R7,$RETNUMTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90HENDtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tg

20、KQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3Xt