課程設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的電容表設(shè)計(jì)

1、1、 概述測(cè)量技術(shù)是信息化制造技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)?？蓮V泛用于電容的參數(shù)測(cè)量、分析和元件篩選的電容參數(shù)測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x。本設(shè)計(jì)的電容參數(shù)測(cè)量?jī)x成本低，體積小，且有如下特征：測(cè)量范圍廣，且測(cè)量范圍可通過增加基準(zhǔn)點(diǎn)的方法進(jìn)一步擴(kuò)大；測(cè)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(cè)量量程和測(cè)量類型；能自動(dòng)根據(jù)不同頻率調(diào)整測(cè)頻算法；采用固定插座使對(duì)元件的測(cè)量更加方便、穩(wěn)定。二、方案論證（1）主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)電容測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)工作包括2個(gè)部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括電容參數(shù)測(cè)量電路和顯示等。軟件設(shè)計(jì)主要完成插值測(cè)量方法。（

2、2）主要功能：電容測(cè)量精度5%，范圍：100pf10000pf。方案一：基于單片機(jī)的頻率測(cè)量法。把待測(cè)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩頻率f，然后用單片機(jī)對(duì)該振蕩頻率f測(cè)量后，便可運(yùn)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(cè)電容量程選擇圖1 基于單片機(jī)的頻率測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)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(cè)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(jì)采用的是方案一，555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)延時(shí)較容易實(shí)現(xiàn)且電路不復(fù)雜，操作簡(jiǎn)單，體積小、受外界環(huán)境影響小、精度高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，具有較好的市場(chǎng)前景。3、 電路設(shè)計(jì)總體思路： 待測(cè)電容cx通過555多諧振蕩電路輸出頻率f,由于被測(cè)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(shí)器t1使頻率降低20000倍以方便測(cè)量，產(chǎn)生的新頻率再進(jìn)入單片機(jī)的定時(shí)器t0，利用t0的門控制位gate測(cè)量脈

4、沖寬度。得到單個(gè)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(gè)機(jī)械周期為1s。設(shè)量程為100010000pf時(shí)，cx=af (1000a10000)，通過諧振電路產(chǎn)生的信號(hào)周期,再通過定時(shí)器t1得到的周期,在通過定時(shí)器t0得到單個(gè)脈沖中的機(jī)械周期個(gè)數(shù)，所得個(gè)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(cè)量。假設(shè)待測(cè)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(shí)，使，得到的b=10a，只要將數(shù)碼管的第三位的小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮即完成，此調(diào)節(jié)在量程選擇時(shí)同步完成。假

5、設(shè)待測(cè)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(jì)待測(cè)電容cx容值的測(cè)量，是通過測(cè)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(jì)要求，電容的測(cè)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(jì)本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)亮第三位小數(shù)點(diǎn)，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(diǎn)，此為10000100000pf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(jì) 本設(shè)計(jì)運(yùn)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(yùn)算器電路、控制器電路、存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及輸入/輸出口電路等。但一個(gè)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(shí)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(jì)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)

7、計(jì)如下。(1)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(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)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(shí)鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十。高級(jí)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(huì)產(chǎn)生諧波，這個(gè)波對(duì)電路的影響不大，但會(huì)降低電路的時(shí)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(gè)10pf-

8、50pf的瓷片電容接地即可削減諧波對(duì)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(jì)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(dòng)運(yùn)行時(shí)，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(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)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(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，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)

9、就處于循環(huán)復(fù)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(jì)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(jì)本設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)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

10、。四、性能的測(cè)試1.電容參數(shù)測(cè)試儀的測(cè)試 表1 電容參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)表量程1001000pf100010000pf實(shí)際值500pf2500pf測(cè)量值499.9pf2503pf下圖為模擬仿真圖。圖7，圖8分別為該設(shè)計(jì)測(cè)500pf電容，測(cè)2500pf的仿真圖。圖7 測(cè)500pf電容仿真圖圖8 測(cè)2500pf電容仿真圖5、 結(jié)論本次設(shè)計(jì)在硬件上運(yùn)用的都是較常用、較基本的元器件，且電路簡(jiǎn)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(yùn)用了定時(shí)器中斷原理和定時(shí)器利用門控制位測(cè)脈沖寬度2種測(cè)頻算法，使電容參數(shù)的測(cè)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(chǎng)

11、前景。然而，本次設(shè)計(jì)雖然已經(jīng)完成了各項(xiàng)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(jià)比更高的芯片，使對(duì)振蕩頻率的測(cè)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(cè)量?jī)x在戶外也可以使用。在軟件方面，可以通過增加基準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)，來進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)量范圍和測(cè)量精度；可以繼續(xù)優(yōu)化測(cè)頻算法，從而使測(cè)量時(shí)間更短，測(cè)量結(jié)果的顯示更加穩(wěn)定。6、 性價(jià)比電路不復(fù)雜，操作簡(jiǎn)單，體積小、受外界環(huán)境影響小、精度高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，具有較好的市場(chǎng)前景。七、課設(shè)體會(huì)及合理化建議這次的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在這里我要對(duì)自己這幾個(gè)星期的付出作一個(gè)小小的總結(jié)。首先我再次非常

12、深刻的體會(huì)到了，課程設(shè)計(jì)真是一個(gè)非常鍛煉人的課程，它將理論與實(shí)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(dòng)手實(shí)踐的能力。這對(duì)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(jì)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(huì)到了失敗與成功。通過這次的課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)電子信息這門專業(yè)又有了全新的認(rèn)識(shí)，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(huì)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(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)j. 蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（工程

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15、0/30/30pf38dsw1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(dòng)t1 loop1:jnb p3.3,loop1 ;等待p3.3升

16、高 loop2:jb p3.3,loop2 ;等待p3.3降低 clr tr0 ;停止t1計(jì)數(shù) mov r7,tl0 ;t1計(jì)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_1m

17、ov a,r4anl 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(gè)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(gè)位數(shù)movc a,a+dptr ;查個(gè)位數(shù)的7段代碼mov p0,a ;送出個(gè)位的7段代碼setb p2.7 ;開個(gè)位顯示acall d1ms ;顯示162微秒clr p2.7;關(guān)閉個(gè)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,