电容测量仪论文.doc

基于单片机的电容测量仪的设计与实现专业：电子信息工程 学号：XXX学生姓名：XXX 指导老师：XXX【内容摘要】随着科技的不断发展，人类的不断进步，在电子技术领域的发展可谓突飞猛进，然而电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。 本设计采用STC89C52单片机和继电器控制电容充放电主要电路测量电容电路，电容测量是采用RC充放电的基本原理实现的。测量电容元器件的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点。一般的测量方法都存在计算复杂、不易实现自动测量。在这里是把电容元件参数C转换成时充电时间的长短，用时间继电器定时，单片机定时器0计算充电时间，当电容充电到预设好的电压后LM393反转输出低电平。LM393的输出端接到STC89C52单片机的INT0口，当低电平时单片机产生外部中断，单片机计数后再运算求出C，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。【关键词】 STC89C52单片机 继电器 LM393 - 28 - The capacitance meter Design and Implementation based on microcontroller【Abstract】With the continuous development of science and technology, the continuous progress of human development in the field of electronic technology can be described by leaps and bounds, capacitor, however, has been widely used in electronic circuits, its size has an important role on the performance of the circuit. Therefore, the measurement of the capacitance in the day-to-day use is inevitable.This design uses STC89C52 MCU and relay control capacitor charging and discharging the capacitor circuit of the main circuit measurement, capacitance measurement RC charge and discharge the basic realization of the principle. More kind of instrument for measuring capacitance components, the method is also different, but it has its advantages and disadvantages. The ships measuring method of computational complexity are present, is not easy to achieve automatic measurement. Here is convert the capacitive element parameters C charging time, time relay timing, SCM timer to calculate the charging time, when the capacitor is charged to the preset voltage LM393 inverted output low. LM393 output end to STC89C52 MCU INT0 mouth, external interrupt generated when the low single-chip, single-chip count and then computing the calculated C, and finally through the the LCD1602 display shows the measured capacitance value. In software design, the design uses the C language to write the program.【Key words 】STC89C52 microcontroller relay LM393 目 录1绪论- 4 -1.1概述- 4 -1.2系统的性能要求及特点- 4 -1.3电容测量仪设计的意义- 4 -2系统分析及硬件设计- 4 -2.1系统设计思路与方案比较论证- 5 -2.1.1系统设计思路- 5 -2.1.2系统设计原理- 5 -2.1.3方案论证与确立- 5 -2.2各个模块的硬件电路设计- 6 -2.2.1中央控制模块设计- 6 -2.2.2显示模块设计- 7 -2.2.3被测电路模块设计- 9 -3软件设计103.1软件设计功能- 12 -3.1.1电容测量仪主程序设计流程图- 12 -23.1.2 液晶显示页面124整体系统的软件调试134.1系统测试及分析144.1.1测试仪器及测试功能154.1.2系统测试154.1.3测试结果分析155设计心得16【致谢】17参考文献- 18 -附录- 19 -附录1 元器件清单- 19 -附录2 原理图20附录3 PCB图- 21 -附录4 实物图- 22 -附录5 部分代码如下- 22 -1绪论1.1概述近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。由于单片机具有系统结构简单，集成度高，处理能力强，可靠性高，价格低廉的优点，因此已被广泛应用于智能生产和工业自动化上。近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入。通过定时计数系统来对时间进行有效的控制。在电容测量仪设计的定时计数系统中将得到更好的应用.通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者速度快，电路简单，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。伴随着测量技术的发展，在测量精度和速度上有非常大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。在本设计中本课题选用STC89C52单片机来设计电容测量仪，电容测量仪程序由用C语言编写，由主程序、计数定时中断服务子程序等模块组成，显示是LCD1602液晶显示屏，此设计中用了继电器控制电容充放电，测试原理见图2.1,电源经电阻 R 给被测电容 充电， 被测电容两端原电压随充电时间的增加而上升。当充电时间 t 等于 RC 时间常数时,被测电容两端电压约为电源电压的63.2，也就达到Vth，测量电容器充电达到该电压的时间，便能知道电容器的容量。为了判断电容 C 上的充电电压是否达到电源电压的 63.2，可以用电压比较器来检测，本设计中用了LM393电压比较器。 1.2系统的性能要求及特点基于单片机的电容测量仪设计应能达到以下功能要求：（1）测量1nF50uF的电容大小，可以设置测量的4个档：（2）测量输出值，使用液晶显示数值。（3）其他创新功能1.3电容测量仪设计的意义 本课题选用STC89C52单片机来设计电容测量仪。目前大部分电容测量方法集成化水平低,精度低,因而对电容特别是对常用电容的精确测量始终是一个很重要的课题.在某些场合,传感电容的变化量往往仅有几个或几十个皮法大小,这就对电容测量电路提出了更高的要求。综合以上功能，该电容测量仪系统有很好的应用价值和研究意义。2系统分析及硬件设计2.1系统设计思路与方案比较论证2.1.1系统设计思路本设计利用电容器充放电的规律。通过单片机定时器0和定时器1和外部中断0实现电容的测量。显示部分利用液晶显示模块，具有显示电容大小等功能。2.1.2系统设计原理根据电容测量仪系统结构图，将整体电路分成为五部分: 复位电路、晶振电路、电容充放电电路、显示液晶模块、单片机STC89C52。根据以上的设计思路及设计原理确定系统组成框图如下图所示。STC89C52LCD1602显示电路复位电路晶振电路被测电路5V电压 图2-1 系统组成框图2.1.3方案论证与确立1、中心控制模块方案一：采用CPLD或FPGA实现应用,目前广泛应用的Verilog HDL硬件电路描述语言，实现电容测量测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境仿真、综合，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言结构复杂、规模大，综合本设计不需要大规模的FPGA。方案二：全部采用模拟电路模块。三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与被测电容成正比，再整流或峰值检波电路及滤波电路，可以得到与被测电容成正比的直流电压 ，然后再进行A/D转换送给数字显示器，便可实现所要求电容测量。但是利用模拟电路，硬件设计太过复杂，故不采取。方案三：采用单片机控制，利用单片机的内部时钟与外部中断就能满足系统设计的要求，且成本较低，适合电容测量仪的设计。因此，我们选择方案三。2、显示模块方案一：用LED显示方案二：采用LCD液晶显示 考虑到本题的要求，只需要一片LCD1602就可以实现，故我们选择方案二。3、被测电路模块方案一：利用555定时器组建定时模块555，555定时器具有成本低，性能可靠等优势，虽然能够做到精确定时但要进行量程换挡，测量不够直观方便。方案二：以电容器的充电规律作为测量依据，电源经电阻 R 给被测电容 充电， 被测电容两端原电压随充电时间的增加而上升。当充电时间 t 等于 RC 时间常数时,被测电容两端电压约为电源电压的63.2，也就达到Vth，测量电容器充电达到该电压的时间，便能知道电容器的容量，直观，便捷。所以选择方案二。4、综合以上方案最后确立了各个模块所使用的方案为表2-1 模块所使用的方案表中心控制模块STC89C52被测电路模块充放电电路显示模块1602液晶显示器2.2各个模块的硬件电路设计2.2.1中央控制模块设计1. STC89C52单片机概述 STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。全双工UART串行通道、八个中断源、低功耗空闲和掉电模式、看门狗定时器、掉电后中断可唤醒 、双数据指针、掉电标识符 。2. STC89C52功能特性描述STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。3. STC89C52单片机最小系统介绍 单片机最小系统由晶振电路和复位电路构成 图 2-2 单片机最小系统2.2.2显示模块设计11602液晶概述液晶是一种高分子材料，因为特殊的物理、化学、光学特性，被广泛应用于轻薄显示器上。本系统显示模块采用了LCD1602液晶显示器每行能够显示16个字符，可以显示两行。主要的功能是显示系统设定的时间以及显示灯的开关时间。（1）LCD1602读操作时序如下图所示图2-3 LCD1602读操作时序（2）LCD1602写操作时序如下图所示图2-4 LCD1602写操作时序 （3）时序相关参数如下表所示表2-2 1602时序相关参数时序参数符号极限值单位测试条件最小值典型值最大值E信号周期tc400-ns引脚EE脉冲宽度tPW150-nsE上升沿/下降沿时间tR,tF-25ns地址建立时间tSP130-ns引脚E、RS、R/W地址保持时间tDH110-ns数据建立时间（读操作）tD-100ns引脚DB0DB7数据保持时间（读操作）tHD220-ns数据建立时间（写操作）tSP240-ns数据保持时间（写操作）tHD210-ns4.液晶显示与单片机连接图如下图所示： 图2-5 液晶显示与单片机连接图2.2.3被测电路模块设计1. RC充放原理该电容表是基于 RC 充放电的原理测量电容量的。如图2-6 所示，在开关断开前，电容上的电压为0，开关断开后电容上的电压与时间的关系为：当Vc达到Vth时，有从而由于 R 和为已知，所以可以根据Tc算出C 图2-6RC充放电原理图2.时间继电器概述被测电路模块主要的功能是对电容充放电时间进行定时计数，主要由时间继电器实现，RC时间继电器。图2-7是一种最简单的RC晶体管时间继电器电路图。它用RC作延时环节； 稳压管与晶体三极管作比较放大环节； 电磁继电器KA为执行环节。RC晶体管时间继电器的基本工作原理是 电容电压不能突变而只能缓慢升高的特性来延时的。 图2-7时间继电器的基本环节 3.时间继电器工作原理当合上开关S时，t=0，电源电压就通过电阻R开始向电容C充电， 电容被立即击穿，三极管不能导通，KA处于释放 ； 当t=t1时，Uc 到U1，于是稳压管被击穿，三极管导通，电源经电阻与稳压管供给三极管以基极电流Ib， 放大后推动继电器KA吸合，达到延时动作的目的。在延时时间t1内，Uc随时间的变化规律如图2b中曲线段obc 。当断开S时，C就通过稳压管与三极管很快放电，Uc很快下降，但当Uc稍许减小后稳压管就恢复阻断 ；三极管截止，KA释放，可见释放过程是非常快的，延时很小， 该继电器为吸合时释放后电容上电荷将自然地放掉，到等于零时就接受下一次动作了。 4.LM393电压比较器的工作原理LM393是由两个独立、低功率、低失调电压双比较器的集成电路，它将模拟量输入电压与参考电压进行比较，输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1或0这两种状态，所以LM393集成运放常常工作在非线性去，处于开环状态，在本设计中把充电的模拟量N-与基准电压N+比较输出低电平进入单片机触发外部中断0。LM393的概述1、 LM393特点（1）电源电压范围宽，单电源是2.0V-36V。（2）差模输入电压范围等于电源电压。（3）输出电平兼容TTL/DTL/ECL/MOS和CMOS逻辑系统。2、LM393的优势：（1）兼容逻辑电路。（2）高精度比较器。（3）减少温漂引起的失调电压。（4）输入共模电压范围接近地电平。3、LM393极限值（Ta=25），如下表所示表2-3 LM393极限值项目符号最小最大单位差模输入电压VIDR-36V输入电流IIN-50mA功耗PD-780mW5.被测电路工作原理图 图2-8 被测电路工作原理图3软件设计软件设计的关键是按要求对电容进行充放电定时计数，测量出来并进行显示。程序由主程序、定时中断服务子程序等模块组成。定时器T0作被测电容器充电时间的计数用。定时器T1用于定时中断服务，定时时间为125ms，即125ms产生一次中断，即每过,125ms测一下电容量，测量时间小于2ms，由于这一时间小于中断的时间5ms，因此在测量过程中不会出现中断现象。测量电容时P3.3口输出高电平，电容开始充电，与此同时定时器T0开始计数，当电容器充电达到基准电压时，P3.2口输出低电平，据此程序作出判断停止T0的计数，并读出数据液晶显示。3.1软件设计功能3.1.1电容测量仪主程序设计流程图开始 液晶初始化定时器0、1外部中断0初始化校验 Y N显示0000.00uF放电充电开定时器0开始计数放点外部中断0触发关定时器计算电容值并显示 图3-1 电容测量仪主程序设计流程图3.1.2 液晶显示页面开始主页面显示0显示电容值显示0000.00uF返回主页面图3-2液晶显示页面设计流程图4整体系统的软件调试MCS-51系列单片机常用的开发编程软件是KEIL软件，该软件能对C和汇编语言进行语言编译。同时能够在KEIL软件商之间调试程序错误并且支持模块化设计缩短了开发周期减少了开发难度。 通常单片机程序开发流程有以下步骤：1、 通过对项目研究，对项目的要求进行模块化分类，设计程序流程图，再对具体模块选择不同的算法，在KEIL中编写出程序。2、 通过编译查错，在KEIL中对程序中出现的语法和逻辑的错误进行修改3、 生成HEX文件，下载并调试硬件和程序。4.1系统测试及分析4.1.1测试仪器及测试功能 1、测试仪器：直流稳压电源 5V;指针式万用表 精度0.5级2、功能测试：将系统各个单元模块组装好，依次测试如下功能：复位功能、显示功能，测量电容的范围大小，实现了题目给定的基本性能要求。4.1.2系统测试(1) 调试步骤单片机上电，并下载程序；插入待测电容并调节基准电压； 修改程序校正，使测量更准确；(2) 测量结果如下表所示3-1。表3-1 电容大小测量结果 电容标称值（uF）测量值(uF)误差1000999.580.042%470450.014.25%109.733.0%2.22.346.4%11.1313%0.10.1330%4.1.3测试结果分析经系统调试及测量，我们得出该系统能够满足以下要求：电容的测量范围0.01u-1000u,基本满足要求，在精度方面在微小电容测量方面精度稍有欠缺。在实际测量中，由于测试仪器，测试环境，测试方法等都对测试数值有一定的影响，都会导致测量结果多多少少地偏离被测量的真实值。为了减小本设计中误差，主要利用修正的方法来减小本电容测试仪的测量误差。所谓修正就是在测量前或测量过程中，求取系统误差的修正值。在测量的数据处理过程中选取合适的修正值非常关键，修正值的获得有三种途径。第一种途径是通过理论推导求取；第二种途径是从相关资料中查取；第三种途径是通过实验取得。本测试修正值主要通过实验取得，对影响测量读数的各种影响因素，如温度、电源电压等变化引起的系统误差。通过对不同被测参数的多次测量选取平均值和相同被测参数的多次测量结果，最后确定被测参数公式的常数值，从而达到减小本设计系统误差。在本次测量中，通过实验调试，选取较合适的修正值来尽可能的减少本测试系统的误差，提高测量的精度。5设计心得本文介绍了以52单片机为核心的电容测量仪设计，并详细介绍了各个部分的功能的结构，原理，具有重大的实际意义。毕业设计是一个综合大学所学的实践课程，是将理论与实际相连的实验过程，是总结大学四年所学知识的最全面最好的体现。从拿到设计任务后，开始上网查阅资料，对课题方案进行设计并进行理论论证，到设计硬件电路，软件程序编写调试，硬件上元器件确定及电路搭建、焊接，软硬件联调，直到论文文本的撰写。最终完成所设计项目基于单片机的电容测量仪的设计，这一过程锻炼了我对单片机系统的应用设计及动手能力。近半年的毕业设计实践，使我深深的体会到理论联系实际的重要性，在设计过程中要相当细心，在软件中可能是一个标点或一个变量定义的问题，而导致运行错误；在硬件原理图中更是如此，做板、焊接的牢固性，还要防止短路和断路。所以每一个环节都是不能大意的。在软、硬件调试过程中，真正的培养了我的耐心。软件的调试修改再调试，如此反反复复，最终完成了设计的大部分任务，但设计还存在非常多的问题，没有完全达到设计要求。而且精度也存在问题，有待改进改善。在不断的学习与思考中，我对单片机知识有了更为深刻的了解体会。在收获的同时，我也深感自身知识的欠缺与动手能力的不足，在以后的学习及设计中，还要不断的努力。在整个设计过程中，由于知识的欠缺和经验的不足，会遇到很多的麻烦和从未遇到的难题，但在老师的细心讲解和指导下，在班上同学的帮助下，通过翻阅大量有关资料，成功的完成了本次设计。在论文制作的整个过程中，我深深的体会到做任何一个项目首先必须具备的是扎实而丰富的专业知识，只有在专业知识积累到一定的程度的状态下才能置身于一个高的位置，系统分析问题解决问题。对待科学研究要始终保持着严谨的态度，对于每一个环节都必须精益求精。当然，这些都是我未来学习和工作都必须具备的，相信有了这一步，我将会走得更远。在设计中也提高了自己获得新知识，新信息的能力。这对我今后的学习与发展都有很大的帮助，在此向指导给我的老师表示诚挚的敬意。由于时间，知识水平有限，文中难免会有不妥和错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。【致谢】本文的研究工作是在xxx老师的精心指导和悉心关怀下完成的，在论文设计的选择、实物的调试 和论文的研究工作中无不倾注着指导老师辛勤的汗水和心血。同时也要感谢帮助过我的同学，给我提供了宝贵的建议。指导老师的严谨治学态度、无私的奉献精神使我深受启迪。从指导老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理，在此我要向我的指导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在整个的论文写作中，还要感谢身边的同学朋友一直陪伴着我，她们积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完成整个论文。在多年的学习生活中，还得到了许多领导和老师的关心和热情的帮助，在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！参考文献1 单片机原理及接口技术何宏主编北京国防工业出版社2006年7月重印2 C51单片机技术教程.田希晖主编.北京.人民邮电出版社.2007年10月第一版 3 单片机C语言编程与实例赵亮 侯国锐 编著北京人民邮电出版社2003年9月第一版4 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛系列教程【M】.北京：电子工业出版社.20075 模拟电子技术基础简明教程.杨素行主编.北京.高等教育出版社.2010年重印6 百度百科.EB/OL./view/39560.htm7 中国高校自动化网.EB/OL./html/xuekezhishi/modianshudian/662259998722_2.html8 道客巴巴.EB/OL./p-26613255056.html附录附录1 元器件清单CommentDesignatorLibRefQuantityUnit priceSTC89C52U1AT89C51110104C1CAP10.222pFC2, C3CAP20.2J1CON211J2, J3CON421USBCON41110KRSCON9111602LCD1CON1411312MY1CRYSTAL1110KW1, W2KTDZ21POWERD1LED11LM393U5LM393138550Q1PNP10.8K1RELAY-SPDT10.510KR2, R5, R7RES230.21KR1, R6RES220.2300R10RES210.2300R4RES210.2S1, S2SW-PB20.3 附录2 原理图附录3 PCB图 附录4 实物图附录5部分代码如下#include /定义头文件#include /定义头文件#include/定义头文件#includelcd1602.H/定义头文件#define uchar unsigned char /宏定义#define uint unsigned int /宏定义#define ulong unsigned long /宏定义sbit ce = P33; /继电器控制电容充放电sbit jy = P36; / 校验按键 ，取第一次测出来的值uint cont;ulong intdr;ulong tmp;uchar tt;uchar t;bit bz,dq;void delay(void) /延时函数 unsigned char a,b,c; for(c=127;c0;c-) for(b=235;b0;b-) for(a=32;a0;a-); _nop_(); void timer0(void) interrupt 1 /计算充电时间 cont+; void timer1(void) interrupt 3 /25ms /隔一段时间又测量一次 TH1=0x3c; TL1=0xb0; tt+; if(tt=5) /25*5 ms tt=0; bz=0;/标志位清零 ce=1;/放电 三极管截止无电流产生即无磁场，K1接地 电流经R4 W1流向地 此时放大器同相输入端的电压为0 delay();/放电延时 TH0=0x0; /定时器初始值清零 TL0=0x0; ce=0;/充电 三极管导通有电流产生磁场，继电器K1接另一端 给予C充电，放大器同相输入端的电压升高 ET1=0; /关闭定时器1 ET0=1; /开定时器0 用来定时充电时间 EX0=1; /开外部中断 void display() /显示函数 if(tmp0) Test11=tmp%100000000/10000000+0 ; /显示处理 Test12=tmp%10000000/1000000+0 ; /显示处理 Test13=tmp%1000000/100000+0 ; /显示处理 Test14=tmp%100000/10000+0 ; /显示处理 Test15=. ; /显示处理 Test16=tmp%1