51單片機(jī)做電容測量儀解析(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第十三屆“長通杯”大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電容測量儀（A題）2016年5月14日專心-專注-專業(yè)摘 要 電容測量儀裝置是一種精度高、測試范圍寬、操作簡便、功能完善的電容測量儀。隨著科技的不斷發(fā)展，電容在電路中有著越來越多的應(yīng)用，其容量大小直接決定著電路的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。因此，電容值的的測量在日常使用中不可避免。為了深入了解和學(xué)習(xí)52單片機(jī)的功能，本設(shè)計(jì)采用STC89C52和555振蕩器為主要元件對電容進(jìn)行測量。先將555設(shè)計(jì)為多諧振蕩器產(chǎn)生輸入脈沖信號，然后利用單片機(jī)對脈沖進(jìn)行中斷計(jì)數(shù)，再使用公式計(jì)算出電容值。在多諧振蕩器終端加一個(gè)HD74LS08（二輸入與門）穩(wěn)定輸出波形

2、，從而使測量中更精確。多諧振蕩器會因?yàn)檫B接電阻值的不同而產(chǎn)生的方波的頻率不同，從而可以變換檔位測量容量差距較大的電容。如果在工程問題中想尋找出符合要求的電容，便可通過矩陣鍵盤輸入相應(yīng)的電容值的范圍，以方便篩選。當(dāng)電容測定完以后，其數(shù)值通過LCD1602顯示出來，以便閱讀。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)；電容測量；555定時(shí)器；LCD1602；目 錄電容測量儀（A題）1 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)一：利用電容器放電測電容實(shí)驗(yàn)原理電容器充電后，所帶電量Q與兩極板間電壓U和電容C之間滿足QCU的關(guān)系。U可由直流電壓表測出，Q可由電容器放電測量。使電容器通過高電阻放電，放電電流隨電容器兩極板間的電壓下降而減少，通過

3、測出不同時(shí)刻的放電電流值，直至I0，作出放電電流I隨時(shí)間變化的曲線，曲線下的面積即等于電容器所帶電量。由CQ/U可求出電容器的電容值。但此方法操作性差，很難實(shí)現(xiàn)其功能，故舍之。設(shè)計(jì)二：利用放電時(shí)間比率來測電容其測量原理是把被測電容和基準(zhǔn)電容連接到同一電阻上，構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)。通過測量兩個(gè)電容放電時(shí)間的比率，就可以求出被測電容的電容值。充電前電容的電壓為0，放電時(shí)電容電壓與時(shí)間的關(guān)系為：當(dāng)Vc達(dá)到Vth時(shí) 從而由于R和Vth/E已知，可根據(jù)Tc算出C。此方法的測量范圍從pF(10-12F)到幾十個(gè)nF(10-9F)，并且在寄生電容的抑制和溫度穩(wěn)定性方面具有極很大的優(yōu)勢，但此方法適用于電解電容，對于瓷

4、片電容并不適用。設(shè)計(jì)三：利用單片機(jī)測脈沖來測時(shí)間常數(shù)RC再計(jì)算電容其測量原理是把被測電容和電阻串聯(lián)，構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)，然后可利用這個(gè)時(shí)間常數(shù)去利用多諧振蕩器，調(diào)好振蕩信號的波形然后開始計(jì)數(shù)脈沖值，可能的周期為T=A0×RC，A0為一個(gè)常數(shù)，可通過周期可以計(jì)算出C的值。這個(gè)可以用單片機(jī)來測，理論上可以從測的值可以為N多個(gè)，大大超過前面所講述的?？紤]到實(shí)用性和可操作性，我們選擇設(shè)計(jì)三。利用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路（如圖*），待測電容是電路中的Cx，再把”O(jiān)UT”口輸出的信號的頻率輸入單片機(jī)的P1.0口，CX的一端連接單片機(jī)的P2.3口，通過公式換算得到電容值。P3.7口接一獨(dú)立按鍵，當(dāng)其按下時(shí)，

5、555定時(shí)器的3引腳輸出方波，3腳與P1.0口相接，可通過程序測出其頻率，進(jìn)而求出Cx的值，并顯示在LCD1602液晶屏上。由分析可知其振蕩周期為：由單穩(wěn)態(tài)電路的特性知：使R1=R2,則：電容測量電路如圖1所示： 圖1 555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)的電容測量電路圖此方案從計(jì)算公式可知，只需要通過單片機(jī)處理頻率信號即可得到待測電容值，對測量精度要求而言，還是比較符合要求的，由于是通過單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)化，精確度會明顯的提高。核心元器件簡介STC89C52的介紹STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低耗能、性能高的CMOS8位微控制器。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 內(nèi)置4KBEEPROM，有MAX810復(fù)位電路，3個(gè)1

6、6 位/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，8k字節(jié)Flash，32 位I/O 口線，512字節(jié)RAM， ，一個(gè)7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。最高運(yùn)作頻率35MHz，12T/6T可選。STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖:圖2 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)555定時(shí)器的介紹NE555集成電路是8腳封裝，雙列直插型。NE555引腳功能如下：Pin 1-GND

7、 (接地)-通常被連接到電路共同接地。Pin 2-Trigger(觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時(shí)間周期，又稱觸發(fā)端，是下比較器的輸入。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3-Output (輸出) -輸出端（VO），它有0和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加電平?jīng)Q定，當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到0伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約0.2A 。Pin 4-Reset (重置)-一個(gè)低邏輯電位送至該腳位時(shí)會重置定時(shí)器且使輸出回落到一個(gè)低電位，加上低電平時(shí)可使輸出為低電平5。它通常被

8、接到電源或不用連接。Pin 5-Control voltage (控制) -控制電壓端（VC），準(zhǔn)許由外部電壓控制觸發(fā)和閘限電壓，可用它控制改變上下觸發(fā)電平值。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營在振蕩或穩(wěn)定的運(yùn)作方式下,這個(gè)輸入可以用來改變或調(diào)整輸出的頻率值。Pin 6-Threshold (重置鎖定) - 又稱閾值端（TH），是上比較器的輸入；重置鎖定并能使輸出呈低電平。當(dāng)此接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動這個(gè)動作。Pin 7-Discharge (放電端DIS），它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為

9、ON時(shí)為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對地為高阻抗。Pin 8-Vcc (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。圖3 555定時(shí)器輸出波形 圖4 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1602液晶的介紹本設(shè)計(jì)使用的1602液晶為5V電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行16個(gè)字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個(gè)字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口。接口說明：Pin-1-VSS電源地 Pin-2-VDD電源正極Pin-3-VQ液晶顯器對比度調(diào)節(jié) Pin-4-RS數(shù)據(jù)/命令選擇輸入（H/L）Pin-5-R/W

10、讀寫選擇端（H/L）Pin-6-E使能信號Pin-7-D0數(shù)據(jù)接口 Pin-8-D1數(shù)據(jù)接口Pin-9-D2數(shù)據(jù)接口Pin-10-D3數(shù)據(jù)接口Pin-11-D4數(shù)據(jù)接口Pin-12-D5數(shù)據(jù)接口Pin-13-D6數(shù)據(jù)接口Pin-14-D7數(shù)據(jù)接口Pin-15-BLA背光燈電源正極Pin-16-BLK背光燈電源負(fù)極基本操作時(shí)序：讀狀態(tài) 輸入：RS=L,R/W=H,E=H 輸出：D0D7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù) 輸入：RS=H,R/W=H,E=H 輸出：無寫指令 輸入：RS=L,R/W=L,D0D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 輸入：RS=H,R/W=L,D0D7=指令碼，E=高脈沖輸出

11、：無1602與單片機(jī)接口：圖5 1602與單片機(jī)接口系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是被測電容通過555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路，頻率輸入單片機(jī)，通過分屏電路把頻率送入單片機(jī)，并把頻率通過單片機(jī)處理，運(yùn)算出相應(yīng)的數(shù)值，再用LCD1062顯示出來。系統(tǒng)方框圖*如下：STC89C52單片機(jī)鍵盤輸入范圍LCD1602 555多諧振蕩器被測電容圖6 系統(tǒng)方框圖主程序流程圖:主程序流程是先通過按鍵對單片機(jī)時(shí)鐘和端口進(jìn)行初始化，再對定時(shí)器進(jìn)行初始化，液晶初始化顯示開機(jī)界面，再轉(zhuǎn)入上面所設(shè)計(jì)的開機(jī)總中斷，結(jié)束之后進(jìn)入低功耗模式，具體流程如圖7所示。開始單片機(jī)時(shí)鐘初始化單片機(jī)端口初始化液晶初始化顯示開機(jī)界面開啟總中斷定時(shí)器初

12、始化進(jìn)入自動換擋測量模式圖7 主程序流程圖心得體會這次設(shè)計(jì)歷時(shí)兩個(gè)周左右。在此期間，查找資料，同學(xué)交流，反復(fù)調(diào)試，每一個(gè)過程都是對我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)的一次檢驗(yàn)和挑戰(zhàn)。通過這次實(shí)踐，我們深入學(xué)習(xí)了52單片機(jī)、555定時(shí)器和LCD1602的用途及工作原理，掌握了設(shè)計(jì)步驟，鍛煉了實(shí)踐能力，培養(yǎng)了獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。這次課程設(shè)計(jì)收獲很多，比如學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的制作能力。但是此次比賽也暴露出了我們的知識基礎(chǔ)有很多不足之處。由于能力有限，未能做到用鍵盤輸入電容的測量范圍來篩選電容，因此感到有點(diǎn)兒遺憾。這次實(shí)踐是對自己模電和單片機(jī)所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己的能力還有待提高。本設(shè)計(jì)是在

13、老師的精心指導(dǎo)和鼓勵(lì)下完成的。在此，謹(jǐn)向老師和幫助我的同學(xué)表示衷心的感謝！此外，我還要感謝在我的論文中所有被援引過的文獻(xiàn)的作者們，他們是我的知識之源。最后，再次向所有給予我?guī)椭凸膭?lì)的同學(xué)和老師致以最誠摯的謝意！附件附件1：電路圖圖8 總電路圖附件2：元件清單表1元件型號位號數(shù)量單片機(jī)STC89C52RCU11排阻A103JRP11電磁繼電器JWDRL1，RL2，RL33晶振12MX11瓷片電容30pFC1，C22獨(dú)石電容103（0.01uF）C41電阻10KR1，R2，R5，R6，R75按鍵J1，J2,2液晶LCD1602LCD11555定時(shí)器NE555U21電阻1KR3，R42電阻10R9

14、，R10，R113與門HD74LS08U31電解電容50V，1000pFC31附件三：程序#include <reg52.h>#include"intrins.h"/庫函數(shù)#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ulong unsigned longuchar table416="C(nF)="uchar num,b,x=1,i,a=2,th0,tl0;uint C;ulong f,Cpf,f1;sbit lcden=P27;/液晶使能端 sbit lcdrs=P

15、25; /液晶數(shù)據(jù)命令選擇端sbit RW=P26; /1602寫地址sbit key_C=P37; /測量電容按鍵sbit C_out=P17;/測量電容信號輸入sbit switch0=P10;sbit switch1=P11;sbit switch2=P12;sbit key_C0=P13;sbit key_C1=P14;sbit key_C2=P15;/聲明子函數(shù)void delayms(uint xms);/延時(shí)函數(shù)void write_com(uchar com); /液晶寫命令函數(shù)void write_data(uchar date); /液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù) void led_ini

16、t();/液晶初始化函數(shù)void t_init();/定時(shí)器0初始化函數(shù)void keyscan(); /鍵盤檢測函數(shù)(確定被測元件為電阻、電容或電感)void display_f(ulong f); /頻率顯示函數(shù)void display_C(uint C); /電容顯示函數(shù)void display_Cpf();/主函數(shù)void main() switch0=0;switch1=0;switch2=0;key_C0=0;key_C1=0;key_C2=0;RW=0;led_init(); /清屏函數(shù)t_init();keyscan();write_com(0x0c);/開顯示，不開光標(biāo)a=2

17、; while(1)keyscan();switch(b) case 0:delayms(80);C=(int)(0.069*f*2);if(C<10)display_Cpf();else switch0=1;led_init(); break; case 1: if(C)C=(int)(0.9*C+0.0069*f*2); else C=(int)(0.069*f*2); if(C<49)table42=110;display_C(C); else switch1=1;led_init();break;case 2:if(C)C=(int)(0.9*C+0.0069*f*2);e

18、lse C=(int)(0.069*f*2); if(C<499) table42=110;display_C(C);else switch2=1;led_init();break; case 3:if(C)C=(int)(0.9*C+0.0069*f*2);else C=(int)(0.069*f*2);if(C>4999)C=4999; table42=110;display_C(C);break; /中斷函數(shù)void T0_count() interrupt 1switch(a) case 2:while(C_out); while(!C_out); TH0=0; TL0=0

19、; while(C_out); while(!C_out); th0=TH0; tl0=TL0; TR0=1; break; f=th0*256+tl0;/延時(shí)函數(shù)void delayms(uint xms)uint i,j;for(i=xms;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);/液晶寫命令函數(shù)void write_com(uchar com) delayms(2); lcdrs=0; P0=com; lcden=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); lcden=0;/液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù)void write_data(uchar

20、date) delayms(2);lcdrs=1;lcden=1;P0=date;lcden=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();lcden=0;/液晶初始化函數(shù)void led_init() delayms(15);write_com(0x38);/設(shè)置16×2顯示，5×7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口delayms(5);write_com(0x38);delayms(5);write_com(0x01);delayms(5);write_com(0x08);delayms(5);write_com(0x0C);/定時(shí)器0初始化函數(shù)void t_init()TMOD=0x01;/設(shè)置定時(shí)器0工作方式1(M1M0=0x0001) TH0=0;/裝初值TL0=0;EA=1;/開總中斷ET0=1;/開定時(shí)器0中斷TR0=1;/啟動定時(shí)器0/檔位檢測函數(shù)(確定被測元件的檔位)void keyscan() if(key_C0=1) delayms(10); if(key_C0=1) b=1; if(key_C1=1) delayms(10); i