基于單片機(jī)的電容測(cè)試儀

課程設(shè)計(jì)說明書PAGE基于單片機(jī)的電容測(cè)試儀摘要：提出了一個(gè)電容測(cè)量解決方案，采用NE555與被測(cè)電容構(gòu)成多諧振蕩器，單片機(jī)控制多諧振蕩器起振信號(hào)，采用單片機(jī)外部中斷和定時(shí)器判斷多諧振蕩器輸出一個(gè)完整方波的時(shí)間，再根據(jù)多諧振蕩器匹配電阻計(jì)算得到被測(cè)電容電容值并送入液晶顯示。關(guān)鍵詞：電容測(cè)試儀，單片機(jī)，LCD1602，AT89C51Abstract:Thispaperputsforwardacapacitancemeasurementsolutions,usingNE555andmeasuredcapacitanceconstitutemultivibrator,single-chipmicrocomputercontrolmultivi-bratoronvibrationsignal,USESthemonolithicexternalinterruptandtimerjudgmentltivibratoroutputacompletesquarewavetime,againaccordingtothemultivibratormatchingresistancecalculationgetmeasuredcapacitancecapacitancevalueandintotheliquidcrys-taldisplay.Keywords:capacitancemeasurementsolutions，microcomputer，LCD1602，AT89C51第PAGEI頁目錄290021前言 197112整體方案設(shè)計(jì) 264842.1方案論證 239312.2方案比較 3286913單元模塊設(shè)計(jì) 4110573.1多諧振蕩器模塊 4125303.2單片機(jī)模塊 5198553.3顯示模塊 6134533.4電源模塊 6137684軟件設(shè)計(jì) 724055系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及精度和誤差分析 8232486結(jié)論 9192537設(shè)計(jì)小結(jié) 10122308參考文獻(xiàn) 1130146附錄1：電路總圖 1218932附錄2：軟件代碼 13第1頁1前言電容，是指在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量，記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的電荷量則稱為電容。因電容是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，所以廣泛應(yīng)用于隔直、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換、控制電路等方面。電容按結(jié)構(gòu)劃分主要有二種：一是固定電容，二是可變電容．按電介質(zhì)劃分主要有：有機(jī)介質(zhì)電容器，無機(jī)介質(zhì)電容器，電解電容等．按材料分為陶瓷電容，用于高頻的云母電容；滌淪電容，用于中低頻；金屬膜電容，用于低頻；電解電容是固定電容，一般體積比較大，用在低頻濾波電路中，它有正負(fù)極之分使用時(shí)不能接反，否則會(huì)發(fā)生漏液或爆炸．電子制作中需要用到各種各樣的電容器，它們?cè)陔娐分蟹謩e起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡(jiǎn)稱其為電容，用字母C表示。顧名思義，電容器就是“儲(chǔ)存電荷的容器”。盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)（固體、氣體或液體）所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為極板，中間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。電容值的測(cè)量對(duì)于硬件設(shè)計(jì)顯得非常重要，硬件計(jì)算所得電容值與我們選擇電容時(shí)見到電容的標(biāo)稱值存在著差距，因?yàn)殡娙莸闹谱鞴に嚥煌?，不能保證電容的實(shí)際值和標(biāo)稱值完全一樣，這樣給我們使用帶來很多麻煩，特別是在高頻電子中，電容值的微小變化都肯能引起結(jié)果的極大不精確，由此測(cè)量電容值的意義可見一斑。第16頁2整體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的整體思路是：利用NE555時(shí)基集成電路與被測(cè)電容構(gòu)成多諧振蕩器，通過單片機(jī)對(duì)多諧振蕩器輸出計(jì)數(shù)得到電容值與多諧振蕩器輸出方波周期之前的關(guān)系，從而通過判斷方波周期得到被測(cè)電容的電容值，并通過LCD12864顯示出來。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：電容放電時(shí)間方案這種電容測(cè)量方法主要利用了電容的充放電特性，放電常數(shù)，通過測(cè)量與被測(cè)電容相關(guān)電路的充放電時(shí)間來確定電容值。用NE555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，根據(jù)電容值不同，其脈沖高電平持續(xù)時(shí)間不同我們可以通過單機(jī)對(duì)其放電高電平時(shí)間計(jì)時(shí)，得到電容放電時(shí)間與高電平計(jì)時(shí)之間的關(guān)系，從而用高電平續(xù)時(shí)間反推出電容值，這種方案原理框圖如下：圖2.1電容放電時(shí)間方案框圖方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)計(jì)數(shù)方案本方案的設(shè)計(jì)思路是利用NE555時(shí)基集成電路與被測(cè)電容構(gòu)成多諧振蕩器，通過單片機(jī)對(duì)多諧振蕩器輸出計(jì)數(shù)得到電容值與多諧振蕩器輸出方波周期之前的關(guān)系，從而通過判斷方波周期得到被測(cè)電容的電容值，并通過LCD1602顯示出來。圖2.2單片機(jī)計(jì)數(shù)方案框圖2.2方案比較由于方案一采用計(jì)時(shí)高電平方法與方案二采用計(jì)數(shù)方法相比，方案一產(chǎn)生的誤差較大，且對(duì)pF級(jí)別的電容測(cè)量存在很大困難，而方案二能容許電容值很小故方案二精度更高，實(shí)用范圍更廣，本次設(shè)計(jì)選擇方案二。3單元模塊設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)由多諧振蕩模塊，單片機(jī)模塊，和顯示模塊組成，其中多諧振蕩器由NE555和被測(cè)電容構(gòu)成，單片機(jī)模塊由51單片機(jī)及其外圍電路組成。顯示模塊有LCD12864組成。3.1多諧振蕩器模塊該模塊由NE555構(gòu)成多諧振蕩器，其中R1取100歐姆，R2取20歐姆，C2為被測(cè)電容。如下圖所示：圖3.1NE555構(gòu)成的多諧振蕩器NE555（TimerIC）為8腳時(shí)基集成電路，大約在1971年由SigneticsCorporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一非?？焖偾疑虡I(yè)化的TimerIC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路，后來基于CMOS技術(shù)版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原規(guī)格的NE555依然正常的在市場(chǎng)上供應(yīng)，盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其腳位勁能并沒變化，所以到目前都可直接的代用。NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。3.2單片機(jī)模塊單片機(jī)電路是本設(shè)計(jì)的核心部分，本設(shè)計(jì)選用了常用的AT89C52單片機(jī)。AT89C52是低功耗、高性能、經(jīng)濟(jì)的8位CMOS微處理器，工作頻率為0—24MHz，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I／O總線。AT89C51工作的最簡(jiǎn)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。圖3.2單片機(jī)模塊電路圖3.3顯示模塊顯示模塊由LCD1602組成，本設(shè)計(jì)使用的是2行16個(gè)字的1602液晶模塊作為測(cè)量值顯示部分。其中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)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。圖3.3顯示模塊電路圖3.4電源模塊電源模塊由三端集成穩(wěn)壓器LM7805構(gòu)成，該芯片的輸入電壓為5~12V，輸出為標(biāo)準(zhǔn)5V，輸入端加100uF大電容，濾除劍鋒脈沖，加10uF小電容平穩(wěn)輸入電壓，輸出端同理再次濾波，使輸出電壓穩(wěn)定平滑供整個(gè)系統(tǒng)使用，其原理圖如下：圖3.4電源模塊電路圖4軟件設(shè)計(jì)1、主程序設(shè)計(jì)：配置單片機(jī)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)模式，TH0，TL0初值均為0x00；外部中斷0與多諧振蕩器的脈沖輸出端相連，NE555的參考電壓引腳（4）與單片機(jī)IO口相連，系統(tǒng)上電后單片機(jī)給NE555參考電壓引腳拉高，NE555開始震蕩，同時(shí)外部中斷接收多諧振蕩器輸出，當(dāng)中斷觸發(fā)兩次即表示計(jì)時(shí)一個(gè)周期，同時(shí)將多諧振蕩器參考電壓拉低，多諧振蕩器停止震蕩。取出定時(shí)器0中的值即得到一個(gè)周期的時(shí)間，再計(jì)算電容，完成顯示。2、電容值計(jì)算程序設(shè)置：多諧振蕩器震蕩頻率與電阻電容的關(guān)系為f=1.43/{C*(R1+2R2)},其中f的單位是赫茲，電阻單位是歐姆，電容單位是法拉。單片機(jī)晶振為12M所以單片機(jī)機(jī)器周期為1us，計(jì)數(shù)器里面的值以u(píng)s為單位。為了統(tǒng)一單位我將所以單位以ms為標(biāo)準(zhǔn)，作用計(jì)數(shù)器值應(yīng)乘以1000。得到的電容值就是以u(píng)f為單位，而不再是法拉。3、顯示程序：計(jì)算得到的電容值，是一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)對(duì)于整數(shù)部分采用求余數(shù)和求商的方法得到百位，十位和個(gè)位。對(duì)于小數(shù)部分，因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)不允許進(jìn)行求余數(shù)操作，所以我將這個(gè)數(shù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為int形，再乘以10，再求余數(shù)得到十分位，同理乘以100得到百分位。再講每一位數(shù)送入液晶顯示。程序整體設(shè)計(jì)圖：YESYESNOYESYESNO圖4.1程序整體設(shè)計(jì)框圖5系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及精度和誤差分析本次設(shè)計(jì)采用的方式是外部中斷判斷多諧振蕩器的單個(gè)周期，對(duì)于電容值較小，小到多諧振蕩器周期小于1us時(shí)，該測(cè)量?jī)x不能準(zhǔn)確測(cè)出電容值。對(duì)于電容值在1uf到10uf內(nèi)電容有較好的測(cè)量指標(biāo)。另外電容值算法效果不理想，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)采用算法是f=1.43/{C*(R1+2R2)}，其中1/f為T，T使用的的浮點(diǎn)數(shù)類型，單片機(jī)計(jì)算完電容值大概要花幾十個(gè)機(jī)器周期，這期間可能有外部中斷的多次觸發(fā)，造成標(biāo)志位反復(fù)翻轉(zhuǎn)，從而改變計(jì)數(shù)器中的值。所以我在計(jì)完第一個(gè)周期后將NE555關(guān)掉，這樣做可以減小誤差。另外，計(jì)算電容值采用浮點(diǎn)數(shù)的方式，結(jié)果保留兩位小數(shù)，在對(duì)浮點(diǎn)數(shù)做取余數(shù)運(yùn)算時(shí)，沒有采用乘以10的方法，而是采用強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為整形的方式，節(jié)約程序執(zhí)行時(shí)間，提高了程序效率，但是這樣的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生一定誤差。6結(jié)論本次設(shè)計(jì)單片機(jī)測(cè)量電容采用單片機(jī)外部中斷采NE555與被測(cè)電容組成的多諧振蕩器輸出脈沖周期的方式。我一開始的思路是將定時(shí)器0設(shè)置為定時(shí)50ms模式，將定時(shí)器1設(shè)置為計(jì)數(shù)模式，當(dāng)定時(shí)器0定時(shí)時(shí)間到時(shí)，讀取定時(shí)器1中的值，那么定時(shí)器1中的值減去1即為50ms內(nèi)多諧振蕩器的周期個(gè)數(shù)，再把這個(gè)值取出來求電容，但是后來發(fā)現(xiàn)，如果多諧振蕩器的輸出周期較長(zhǎng)，或者過短采回來的值就不具備計(jì)算意義，因?yàn)橹芷谶^長(zhǎng)比如電容值為100uf，101uf，才回來的值幾乎不變，周期過小，則計(jì)數(shù)器溢出，這樣給計(jì)算帶來很多難題。后來想到只采一個(gè)周期，才有了上面的方案，采用該方案基本上滿足了電容值為1uf到10uf內(nèi)電容的測(cè)量。通過改變匹配電阻R1，R2能達(dá)到其他量程電容的測(cè)量，本次設(shè)計(jì)沒有過多考慮，希望以后有機(jī)會(huì)將此功能完善。7設(shè)計(jì)小結(jié)本次設(shè)計(jì)的小量程電容測(cè)試儀能夠有效的測(cè)量電容值為1uf到10uf的電容，為實(shí)際應(yīng)用中提供了電容選擇的依據(jù)，更重要的是通過本次課程設(shè)計(jì)我明白了儀器的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)指標(biāo)，了解了由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器電路工作原理，以及調(diào)節(jié)其方波輸出周期的方法，了解了單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)，理解了51單片機(jī)定時(shí)器以及外部中斷的使用。電容值的測(cè)量對(duì)于硬件設(shè)計(jì)顯得非常重要，硬件計(jì)算所得電容值與我們選擇電容時(shí)見到電容的標(biāo)稱值存在著差距，因?yàn)殡娙莸闹谱鞴に嚥煌?，不能保證電容的實(shí)際值和標(biāo)稱值完全一樣，這樣給我們使用帶來很多麻煩，特別是在高頻電子中，電容值的微小變化都肯能引起結(jié)果的極大不精確，通過本次設(shè)計(jì)，我明白電容值的測(cè)量方法，更體會(huì)到電容值的確定關(guān)系到整個(gè)電子線路的可靠性，使我在以后的學(xué)習(xí)應(yīng)用中增加了一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。8參考文獻(xiàn)[1]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.[2]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.[3]蔡美琴、張為民.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.[4]楊振江、杜鐵軍.流行單片機(jī)實(shí)用子程序及應(yīng)用實(shí)例[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2002.[5]張培仁.基于C語言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.[6]郭天翔.51單片機(jī)C語言教程[J].北京：電子工業(yè)出版社，2006.[7]張洪潤(rùn)、劉秀英、張亞凡等.單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)200例[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2006.[8]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)現(xiàn)·測(cè)試（第二版）.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000[9]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006[10]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006[11]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2003[12]燕慶明.電路分析教程(第二版).北京：高等教育出版社，2006[13]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）.北京：清華大學(xué)出版社，2005[14]潘新明.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第二版）.北京：電子工業(yè)出版社，2008[15]程德福.智能儀器（第二版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011[16]王軍.自動(dòng)控制原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011[17]趙亮.單片機(jī)C語言編程與事例.北京：郵電出版社，2008附錄1：電路總圖附錄2：軟件代碼#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineLCD_DataP0ucharJi_s=0,Ji_s1=0,Ji_s2=0,m4,js=0,T_flag;floatR1=100,R2=100;//歐姆ucharcodetable[]="THECAPIS:";ucharcodetable1[]="uF";sbitlcden=P1^7;sbitlcdrs=P1^5;sbitlcdrw=P1^6;sbit_reset=P1^4;sbitstart=P2^7;ucharjishu=0; 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