數(shù)字式電容測(cè)量儀的設(shè)計(jì)及制作報(bào)告模板

-.z報(bào)告評(píng)分批改教師通信與電子學(xué)院?綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)Ⅰ?數(shù)字式電容測(cè)量儀的設(shè)計(jì)與制作報(bào)告專業(yè)班級(jí)學(xué)生**指導(dǎo)教師提交日期數(shù)字式電容測(cè)量儀的設(shè)計(jì)與制作摘要:針對(duì)現(xiàn)有的電容測(cè)量儀器量程不高且精度有限問題，使用AT89C51單片機(jī)NE555單穩(wěn)態(tài)電路及LED數(shù)碼顯示，通過程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種直觀經(jīng)濟(jì)的電容測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)說明，該儀器提高了電容量程和測(cè)量精度，性能穩(wěn)定可靠，可廣泛應(yīng)用于電容等電子元器件檢測(cè)之中。關(guān)鍵詞:電容測(cè)試儀;單片機(jī);量程;精度1．引言電容容量是電學(xué)理論分析與電路設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。電容容量測(cè)量的主要方法有電橋平衡法、諧振頻率測(cè)量法或脈沖寬度測(cè)量法等等。交流電橋雖然測(cè)量準(zhǔn)確，但存在笨重、操作繁瑣、不能自動(dòng)測(cè)量的缺陷。目前一般的數(shù)字萬用表測(cè)量電容的最大值僅為20F，且測(cè)量精度有限，遇到要測(cè)量較大的電容時(shí)往往無能為力隨著單片機(jī)性能的不斷提高，將其應(yīng)用于對(duì)電容的測(cè)量中具有方便直觀經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并可以進(jìn)展軟件校準(zhǔn)，減少測(cè)量誤差(一般能夠準(zhǔn)確在0.5%左右)同時(shí)，通過對(duì)LED數(shù)碼顯示管或LCD液晶的合理使用還可使檢測(cè)人員能夠更直觀地讀取電容數(shù)值。2．設(shè)計(jì)要求與方案論證2.1設(shè)計(jì)要求1、根本局部(1)自制穩(wěn)壓電源、綠色發(fā)光管指示接通電源，正常工作。(2)被測(cè)電容的容量在0.01μF至200μF*圍內(nèi)(3)能夠根據(jù)測(cè)量電容的大小自動(dòng)轉(zhuǎn)換適宜量程。(4)用4個(gè)數(shù)碼管或液晶顯示測(cè)量結(jié)果，測(cè)量誤差小于10%。(5)當(dāng)電容值超出上述*圍時(shí)測(cè)量儀溢出報(bào)警，黃色發(fā)光管LED點(diǎn)亮。(6)當(dāng)電容短路時(shí)測(cè)量儀發(fā)出聲光報(bào)警，紅色發(fā)光管LED點(diǎn)亮。2、發(fā)揮局部(1)被測(cè)電容的容量擴(kuò)大到1000PF至1000μF*圍內(nèi)。(2)測(cè)量誤差小于10%。2.2方案設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以分為測(cè)量電路、通道選擇和控制電路三大局部,如圖2-1所示。2-1系統(tǒng)硬件構(gòu)造框圖測(cè)量電路方案方案一測(cè)量電路的核心是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,將電容的大小轉(zhuǎn)換成頻率的大小，然后使用單片機(jī)計(jì)數(shù)后再運(yùn)算求出電容值。該方案的電路及波如下列圖2-2所示。其中C*是被測(cè)電容。圖2-2555構(gòu)成多諧振振蕩器及輸出波形方案二測(cè)量電路的核心是由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路,將電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖寬度，然后使用單片機(jī)測(cè)出脈沖寬度再運(yùn)算求出電容值。該方案的電路及波如下列圖2-3所示。其中C*是被測(cè)電容。圖2-3555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路及輸出波形綜合上述選擇方案二量程切換電路方案方案一采用單刀三擲開關(guān)進(jìn)展切換，電路簡單容易，缺點(diǎn)要手動(dòng)切換量程，比擬麻煩。方案二采用模擬開關(guān)進(jìn)展切換，通過單片機(jī)判斷電容的大小發(fā)出選通信號(hào)，切換適宜的量程，完全實(shí)現(xiàn)智能化量程。綜合上述選擇方案一根本能夠滿足設(shè)計(jì)要求。控制電路方案方案一控制電路可用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，簡單容易實(shí)現(xiàn)，但存在精度不高、布線復(fù)雜、擴(kuò)展能力并有等問題。方案二控制電路采用單片實(shí)現(xiàn)，精度高，可擴(kuò)展性高，容易實(shí)現(xiàn)智能化，缺點(diǎn)是要編寫程序，對(duì)沒有編程經(jīng)歷的同學(xué)有一定難度。綜合上述選擇方案二。3．單元電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)構(gòu)成的控制電路單片機(jī)芯片選擇單片機(jī)選擇我們熟悉的AT89C51。AT89C51是一個(gè)低電壓高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含2kbytes的可反復(fù)擦寫的制度程序存儲(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通過8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，可為客戶提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合同時(shí)AT89C51還具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器串行口和外中端口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)在省電模式中，片內(nèi)RAM將被凍結(jié)，時(shí)鐘停頓震蕩，所有功能停頓工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運(yùn)行。由單片機(jī)構(gòu)成的控制電路包括AT89C51、OSC晶振和LED顯示。電路如下列圖3-1所示?！哺鶕?jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕圖3-1單片機(jī)控制電路OSC晶振電路〔根據(jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕OSC晶振起振后，將在*TAL2線上輸出一個(gè)3V左右的正弦波，以便使MCS-51片內(nèi)的OSC電路按石英晶振一樣頻率自激振蕩通常，OSC的輸出時(shí)鐘頻率fOSC為0.5MHz～1.6MHz電容C01和C02可以幫助起振，典型值為30pf，調(diào)節(jié)它們可以到達(dá)微調(diào)fOSC的目的。數(shù)碼顯示電路〔根據(jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕顯示電路可以采用LED顯示電路也可以采用LCD液晶顯示電路。如果采用LED顯示，由于本裝置最大測(cè)量*圍有四位數(shù)，當(dāng)一個(gè)顯示裝置中采用多位LED顯示器時(shí)，通常采用動(dòng)態(tài)掃描電路，以節(jié)省硬件開銷同時(shí)在本設(shè)計(jì)中，還需解決顯示不閃爍和亮度缺乏的問題，實(shí)驗(yàn)證明，掃描頻率應(yīng)不低于100Hz控制掃描頻率可由軟件完成要獲得足夠的顯示亮度，就應(yīng)合理地選擇LED每段流過的正向電流，并據(jù)此來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和限流電阻的值。本電路中，當(dāng)采用5V供電時(shí)，限流電阻選擇300Ω。3.2555測(cè)量電路555電路按照構(gòu)造特點(diǎn)分為單穩(wěn)態(tài)電路，雙穩(wěn)態(tài)電路和無穩(wěn)態(tài)電路，在本設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)到的為單穩(wěn)態(tài)電路。NE555集成電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖3-2所示，電路中的電阻R和電容C*構(gòu)成充電回路端采用負(fù)脈沖觸發(fā)平時(shí)ui=1，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)有觸發(fā)脈沖到來時(shí)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度TW=1.1RC*，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形為圖3-3所示。測(cè)量原理：用555電路組成單穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)在它的第2腳加上一個(gè)負(fù)脈沖，并使2腳輸入電壓跳變到電源電壓的1/3時(shí)，555內(nèi)部觸發(fā)器將被置1，此時(shí)在它的輸出端第3腳會(huì)輸出高電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，設(shè)555電路輸出高電平的時(shí)間為td，td等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間與外接電阻的待測(cè)電路有關(guān)，且等于待測(cè)電容電壓在充電過程中從0上升到2/3Vcc所需要的時(shí)間，故可得到公式td=RCln(Vcc-0)/(Vcc-2/3Vcc)=1.1RC*。由以上公式可求出C*=td/1.1R。在本設(shè)計(jì)中，電阻是的，故只要測(cè)出555輸出高電平的時(shí)間便可測(cè)出電容的容量。圖3-2NE555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖3-3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形3.3量程切換電路量程切換電路采用單刀三擲開關(guān)，通過單刀三擲開關(guān)接通相應(yīng)的電阻來實(shí)現(xiàn)量程變換。三個(gè)理程根本能滿足設(shè)計(jì)要求。R1、R2、R3分別取1K、100K、1M。電阻小時(shí)適合被測(cè)電容大，反之則適合被測(cè)電容小。量程切換電路如下列圖3-4中虛線所示電路。圖3-4量程切換電路4．程序設(shè)計(jì)4.1內(nèi)存地址及管腳分配〔根據(jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕21H～24H為顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，21H存放最高位，24H存放最低位，40H～50H共30個(gè)字節(jié)存放10次測(cè)量數(shù)據(jù)，25H為量程計(jì)數(shù)器，7EH為數(shù)據(jù)指針，7FH為測(cè)量次數(shù)計(jì)數(shù)器，01H、02H、03H分別代表三個(gè)不同的電容量程。P1.7和P3.7用來選擇量程，P3.5輸出觸發(fā)555電路。本設(shè)計(jì)中的程序由主程序和假設(shè)干子程序組成。4.2程序說明〔根據(jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕首先用P1.7、P3.7兩管腳來選擇量程，并將可選的三種量程送入單片機(jī)，在將數(shù)據(jù)指針賦初值后，通過比擬判斷指令來確定選擇何種量程，假設(shè)未有可選量程則返回J，這里J代表停機(jī)指令，接著將10次的測(cè)量次數(shù)賦給測(cè)量次數(shù)計(jì)數(shù)器7FH，這時(shí)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器來對(duì)10次測(cè)量進(jìn)展定時(shí)并中斷返回，在將定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的高8位低8位數(shù)據(jù)全部清零后，觸發(fā)555電路開場重新計(jì)數(shù)，在對(duì)每一個(gè)電容測(cè)量時(shí)均需測(cè)量10組數(shù)據(jù)，將其相加取平均值前方可確定此電容的準(zhǔn)確容值由于數(shù)值要從LED數(shù)碼顯示管顯示出來，故要把二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)化為BCD碼，并將BCD碼轉(zhuǎn)化為LED可顯示的數(shù)據(jù)。4.3相關(guān)子程序設(shè)計(jì)〔根據(jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕數(shù)據(jù)相加子程序:START4:MOVR0，40HMOVRA，45HMOVR2，*05HCLRCMOVA，R0;將10次測(cè)量數(shù)據(jù)相加ADDCA，R1MOV50H，AINCROINCR1DJNZR2，LOOPMOV50H，R0;將10次數(shù)據(jù)取平均值MOVA，*50MOVB，*0AHDIVABB－BCD子程序:MOVA，20H;將二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為BCD碼MOVB，*2EBHDIVABMOV21H，AMOVA，BMOVB，*64HDIVABMOV22H，AMOVA，BMOVB，*0AHDIVABMOV23H，AMOV21H，B這局部程序應(yīng)該注意到，由于本設(shè)計(jì)的顯示區(qū)域是由4位LED數(shù)碼顯示管組成的，因此它的千位顯示數(shù)碼應(yīng)該由它的十進(jìn)制數(shù)除以1000(即16進(jìn)制的3EB)以此類推得到最終顯示的數(shù)據(jù)。4．電路安裝與調(diào)試4.1電路仿真〔根據(jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕將上述設(shè)計(jì)好的電路和程序在Proteus環(huán)境中仿真，為了方便本系統(tǒng)采用LCD液晶顯示。仿真電路如下列圖4-1所示。圖4-1電路仿真圖從仿真結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)是成功的，現(xiàn)下來變可以安裝調(diào)試了。4.2畫出布線圖(PCB圖)〔根據(jù)實(shí)際情況來寫，以下只是參考〕先在D*P2004中畫出PCB圖，然后在萬能板上描出。描圖時(shí)要注意線間距離，元件分布要注意防止相互干擾。并且按照左邊電源，中間單穩(wěn)電路，右邊單片機(jī)電路，顯赫電路置于頂部適宜位置。元件分布圖大致如下列圖4-1所示。4.3安裝與調(diào)試安裝前先檢測(cè)、檢查所有元器件。安裝順序：先裝電源，并檢查測(cè)試輸出電壓是否正常。如正?？蛇M(jìn)入下一步安裝。接下來安裝NE555電路，安裝完后，用示波器檢查有沒有輸出脈沖，當(dāng)然事先要給單穩(wěn)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。最后安裝單片電路、顯示器等，單片機(jī)中要事先寫入程序。根據(jù)自己的情況定詳細(xì)一點(diǎn)。系統(tǒng)安裝后的正、反面照片如下所示。5．完畢語經(jīng)實(shí)驗(yàn)說明，AT89C51單片機(jī)能夠很好的控制電容測(cè)量模塊，對(duì)研究電容式傳感器有很好的促進(jìn)作用，該單片機(jī)簡化了電路設(shè)計(jì)過程，降低產(chǎn)品的開發(fā)難度，使測(cè)量結(jié)果到達(dá)較高的精度，方便了研究人員的開發(fā)及實(shí)驗(yàn)室人員的測(cè)試。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)對(duì)于電容的測(cè)量依然是有誤差的其誤差的主要來源于溫度的變化和電源電壓的絕對(duì)精度;其他誤差來源包括周期測(cè)量的量化誤差，除法運(yùn)算產(chǎn)生的余數(shù)誤差和電源電壓的波動(dòng)造成的諧振頻率偏移所帶來的誤差，因此本設(shè)計(jì)最重要的是選用穩(wěn)壓性能好的穩(wěn)壓電源在今后的研究中，還將開發(fā)一種構(gòu)造簡單的穩(wěn)壓源，并將其集成在本設(shè)計(jì)中，使本設(shè)計(jì)能夠滿足不用場合的測(cè)量應(yīng)用。6．參考文獻(xiàn):［1］*毅剛