数字电容测量仪设计设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流数字电容测量仪设计设计.精品文档.摘要当前现代化电子市场正朝着快速及便利同时大容量的方向发展,现代电子产品几乎能运用到社会的各个领域当中,有力的推动了社会现代化的发展。同时,电子产品也被要求以更快速度的升级和更快速的处理。本设计以STC89C52单片机和555振荡器作为主要元件,来实现对电容容量的基本测量。本设计基于555振荡器构成多谐振荡器来产生输入脉冲信号,然后再通过STC89C52单片机对方波脉冲进行中断计数而测量电容的。在多谐振荡器输出端加入一个74HC08使输出波型毛刺减少,从而使单片机测量结果变精确。555振荡器所产生的信号会根据
2、所选的电阻的阻值不同,从而调节电容的参数值,这样就可以确定被测电容的容值范围,最后通过LCD1602显示器显示被测电容容值。在软件设计中,该设计使用C语言来编写程序。该仪器具有方便快捷,简单实用,价格低廉等特点。关键词:电容测量;555振荡器;STC89C52;LCD1602AbstractThe current modern electronic market is headed in fast and convenient large capacity and the direction of development, modern electronic products to use t
3、o almost all areas of society of powerful promoted the development of modern society. At the same time, the electronic products also are required to faster speed upgrade and more fast process.This design to STC89C52 single-chip microcomputer and 555 oscillator as the main components, to realize the
4、basic capacity of capacitance measurement. This design based on the 555 oscillator to generate more than a harmonic oscillator input pulse signal, and then through the STC89C52 microcontroller each other to interrupt pulse count and measurement of capacitance. In order to join the output oscillator
5、a 74 HC08 to make the output waveform burr reduced, so that the single chip microcomputer variable precision measurement results. 555 oscillator generated signal will be selected according to the resistance of the resistance is different, which regulates capacitance parameter value, which can determ
6、ine the capacity of the capacitance value range, the last through the LCD1602 display shows measured capacitance let value. In software design, this design using C language to write the program. The instrument has convenient and quick, simple, practical, and low prices, etc.Keywords: capacitance mea
7、surements;555 oscillator;STC89C52;LCD1602目录摘要IAbstractII目录I1 绪论1 1.1 引言12 STC89C52单片机的基本功能及应用2 2.1 STC89C52芯片介绍2 2.2 STC89C52应用说明3 2.3 单片机工作的最小化配置43 系统设计5 3.1 设计要求5 3.2 整体方案设计54 硬件设计9 3.1 时钟电路9 3.2 按键电路9 3.3 复位电路10 3.4 555芯片电路11 3.5 显示电路135 程序设计156 总结16参考文献17附录18 附录1 实物图18 附录2 元件清单19 附录3 系统原理图20 附录4
8、 程序清单21致谢271 绪论1.1 引言当前现代化电子市场正朝着方便快捷容量大的方向发展,现代电子产品几乎能运用到社会的各个领域当中,有力的推动了社会现代化的发。同时,电子产品也面临着更快速度的节奏升级和更快速的处理功效。当今电子测试领域,电容测量技术已经应用的非常广泛了,数字电容测量技术的发展主要取决于电容传感器的发展。由最初的用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器到现在主要使用容栅式电容传感器,陶瓷电容压力传感器等。电容测量技术也从单一化向多元化发展。虽然国内电容传感器方面的厂家越来越多,但是每当提起国内电容测量仪器,用户就会有很多看法。如:诸如精度不高,外观不好,可靠性差等。近年来我
9、国在电子测量仪器的精准度方面投入了很多人力物力,状况有了很大改观。中国本土的仪器制造与生产已经取得了很大的进步,特别是在电子测量这个领域,与国外的差距正在逐日减少,并对国外电子设备巨头产生了一定的影响。随着现代化技术的提高与政府的重视,中国的的测量仪器每年都以30%的速度增长,同时也催生除了大批创新型企业和产品。其实影响国内测量技术的根本原因是:电容测量是一项很基础的研究工作,在日常的电路研究及实验中,电容作为一个使用非常频繁的电子元件,实际电路对电容的研究越来越精确。如果电容测量达不到一个很准确的水品,会直接的影响到各项科技的提升和进步,因此研究电容测量技术具有非常重要的意义。传统电容测量仪
10、精度不高,测量不够便利,因此我选择一个数字电容测量仪来测量电容的容值大小。该数字电容仪有方便,精度高的优点,这也使我的选题有了更大的意义,并提高了我对做毕业设计的兴趣。 2 STC89C52单片机的基本功能及应用2.1 STC89C52芯片介绍STC89C52是一种低电压、高性能的CMOS 8位微处理器,具有8K在系统可编程的Flash处理器。STC89C52对比51单片机具有更大的数据存储空间,并且带有4K字节EEPROM存储空间,使得该单片机比51单片机存储空间更大,数据处理速度也更快。在单片机芯片上,该芯片拥有灵巧的8 位CPU 和在系统内可编程的Flash,这使得STC89C52单片机
11、相比其它单片机有了很大的提高,大大提高了它在各种电子系统中的使用。STC89C52是由一个时钟电路OSC、一个程序存储器ROM、一个数据存储器RAM和一个定时器/计数器组成。程序存储器跟数据存储器分为了两个不同的逻辑存储空间,这样就可以用8位地址对数据及程序存储器来进行访问,通过这样可以提高8位CPU的存储和处理速度。 STC89C52芯片引脚分布及说明:图1 STC89C52引脚分布在本次设计中,使用到该芯片的部分引脚,其主要功能如下:RST:复位电路输入端,高电平有效。在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平,就可以使单片机复位。在单片机正常工作时,此引脚应为0.5V的低电平。P0 口
12、:8位。漏极开路的双向I/O口。P1 口:8位,准双向I/O口,具有内部上拉电阻。P2 口:8位,准双向I/O口,具有内部上拉电阻。P3 口:8位,准双向I/O口,具有内部上拉电阻。ALE/PROG:ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号,将低8位地质所存在片外的地址锁存器中。PROG为该引脚的第二功能,即在对片内Flash存储器编程是,此引脚作为编程脉冲输入端。PSEN:片外程序存储器的读选通信号,低电平有效。EA/VPP:EA为该引脚的异地功能,即外部程序存储器访问允许控制端。VPP位该引脚第二功能,即在对片内Flash进行编程时,VPP引脚接入编程电压。XT
13、AL1:片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。当使用片内振荡器时,该引脚连接外部石英晶体和微调电容;当采用外接时钟源时,该引脚接外部时钟振荡器的信号。 XTAL2:片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时,该引脚连接外部石英晶体和微调电容;当采用外部时钟源时,该引脚悬空。INT0:外部中断请求0,中断请求信号由INT0引脚输入,中断请求标志为IE0。INT1:外部中断请求1,中断请求信号由INT1引脚输入,中断请求标志为IE1。TO:计数器/定时器T0计数溢出发出的中断请求,中断请求标志为TF0。T1:计数器/定时器T1计数溢出发出的中断请求,中断请求标志为TF1。2.2 ST
14、C89C52应用说明 STC89C52主要性能如表1所示:表 1 STC89C52主要性能STC89C52各引脚性能STC89C52各引脚性能与MCS-51单片机产品兼容1000次擦写周期三级加密程序存储器三个16位定时器/计数器全双工UART串行通道掉电后中断可唤醒 双数据指针8K字节在系统可编程Flash存储器全静态操作:0Hz33Hz32个可编程I/O口线八个中断源低功耗空闲和掉电模式看门狗定时器掉电标识符2.3 单片机工作的最小化配置单片机的最小化系统简称单片机最小应用系统,通俗的讲就是单片机工作所用的最少元件。如图2所示,最小系统一般包括只需要单片机、晶振电路和复位电路这三部分就可以
15、让单片机正常工作。该设计的时钟电路由12M的晶振及两个30P的电瓷电容组成,它们共同决定了单片机的机器周期为1us。该复位电路由一个10UF电容一个200欧电阻和10K电阻共同组成。图2 STC89C52的最小化配置3 系统设计3.1 设计要求1、 实现电容容量的基本测量功能;2、 实现电容容量的数字显示;3、 要求测量范围1pF-100uF;4、 方便、快捷且成本低廉。3.2 整体方案设计本设计的整体思路是:根据555振荡器的特点,将电容容值的大小转变成555振荡器输出频率的大小,从而通过STC89C52单片机对555正当器输出频率大小的测量来确定被测电容的容值。本次设计共使用2个方案,具体
16、可见下面的方案一和方案二:(1) 方案一:根据电容充放电时间确定电容容值 这种电容测量方法主要利用电容的充放电特性:同时放电常数r=RC,通过测量电容被测电容的充放电时间来确定被测电容的容值大小。一般情况下,可设计电路使T=ARC(T为振荡周期或处罚时间;A为电路常数与电路参数有关)。这种方法可以使用于由555振荡器组成的单稳态触发器,在秒脉冲的作用下产生触发脉冲,来控制门电路实现计数,从而确定脉冲时间,通过设计合理的电路参数,使计数值与被测电容相对应。其系统框图如图3所示:显示译码器反相器锁存器单稳态触发器计数器窄脉冲触发器标准计数脉冲秒脉冲发生器图3 方案一系统框图这种方法硬件结构相对复杂
17、,实际上是通过牺牲硬件部分来减轻软件部分的负担,虽然软件设计会非常简单。但是使用这种方法在具体设计中会碰到很大的问题,而且硬件一旦设计好,可变性不大,一旦功能不能完全实现,硬件修改起来就会非常麻烦。(2) 方案二:基于STC89C52和555振荡器多谐振荡电路电容测量该方案是通过一块555芯片来测量电容,让555芯片工作在直接反馈无稳态的状态下,使555芯片输出一定频率的方波,其频率的大小跟被测量的电容之间的关系是:我们固定R的大小,其公式就可以写为:因此,只要我们能够测量出555芯片输出的频率,就可以计算出被测电容的容值。计算频率的方法可以利用单片机的计数器T0和中断INT0配合使用来测量,
18、这种研究方法相当的简单。系统框图见图4:S T C 8 9 C 5 2LCD1602复位电路被测电容555晶振电路按键测量图4 方案二系统框图图中给出了整个系统设计的系统框图,系统主要由四个主要部分组成,单片机和晶振电路设计,555芯片电路设计,LCD1602显示电路,复位电路设计。 该方案对比方案一硬件方面要简单一点,软件方面要复杂一点。由于实际电路制作过程中,硬件方面修改起来非常复杂,软件修改则比较简单。因此最终选择方案二作为本次设计的最终方案。4 硬件设计3.1 时钟电路时钟电路采用内部时钟方式,即用电容C2、C3和12M晶振组成,接在单片机的第18和19号引脚上。STC89C52内部有
19、一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,它的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体和微调电容,构成一个稳定的自激振荡器。其电路图如图5所示:图5 系统时钟电路3.2 按键电路按键电路可以实现人机对话,人们可以通过按键来实现让单片机自动的做不同的工作。键盘是一组按键的集合,按键开关是一种常开型开关,一般情况下按键电路的两个触点会处于断开状态,按下键时它们是闭合的。键盘分为编码键盘及非编码键盘这2种,按键的识别是由专门的硬件通过译码来实现的,能产生键编号或者是键值的键盘被称为编码键盘,而缺少这种的要靠自编软件识别的键盘则被称为非编码键盘。在由单片机组成的电路系统以及智
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