电容容量的精确测量.doc

摘要摘要本设计主要研究电容容量的测量。电容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，对推动科技及生产发展均有重要的应用价值。在测量领域，电容容量是一个基本的测量对象。电容容量测量近年来得到大范围的推广应用，国内外越来越多的人研究电容测量技术，努力提高其精度。电容测量电路的设计是为了方便准确的测量电容性能。现在随着单片机技术的不断成熟，用单片机去测量电容容量会更精确，智能化。本设计采用脉冲计数法对电容进行测量。脉冲计数法设计思想是把电容C通过RC三点式振荡转换成频率信号f，这样就把模拟量转为数字量，然后送入单片机进行计数后再对数据进行处理等一系列运算求出电容C，并送显示器显示。电容容量的测量在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等领域有着广泛的应用，对推动科技及生产发展均有重要应用价值。关键词电容；测量；555振荡器；单片机IAbstractThis design mainly research capacitance measurement. Capacitor in the electronic circuit is widely used, its size on the performance of the circuit has an important role in promoting the development of technology and production have important applications. In the measurement, capacitance measurement is a basic object. Capacitance measurements in recent years been promoting a wide range of applications, More and more people at home and abroad study capacitance measurement techniques, efforts to improve its accuracy. Capacitance measuring circuit is designed to facilitate the accurate measurement of capacitance performance. Now, with the microcontroller technology continues to mature, with a single chip to measure the capacitance will be more accurate and intelligent.This design uses a pulse counting method to measure the capacitance. Pulse counting method is to convert the capacitor C through the RC three-point oscillation into frequency signal f, so put analog to digital, and then into the single chip count. After the data processing and a series of calculated operations find the capacitance C, and sent to display.Capacitance measurements in agriculture, materials, machinery, process control and pipeline detection have wide application areas, and for promoting the development of production technology have important application value.Keywords Capacitance; Measure; 555 oscillator; single chip microcomputerII目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 研究现状11.3 发展趋势31.4 本论文的主要工作4第2章 电容容量测量的原理和设计要点52.1 电容的基本知识52.2电容测量原理简介62.3 本论文的测量原理72.4本论文的设计要点72.5本章小节8第3章 电容测量电路设计93.1总体设计93.2 RC振荡电路设计93.2.1 555振荡电路93.2.2 电容分档测量电路123.2.3测量电路中电阻的选择133.3 数字部分电路设计143.3.1 单片机的选择143.3.2 单片机时钟电路设计183.3.3 单片机的复位电路设计203.3.4 单片机的定时器/计数器设置213.4 各接口电路设计243.4.1 RC振荡器与单片机的接口电路设计243.4.2 单片机与显示器的接口电路设计243.5 本章小结25第4章 电路仿真和误差分析264.1模拟电路部分仿真264.2数字电路软件设计部分264.3 误差分析284.3.1电阻误差分析284.3.2 8051测频法的误差分析314.3.3 单片机定时器中断时间误差的分析及补偿314.3.4 电容测量电路的分辨率324.4 本章小结33结论35参考文献36IV第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景电容是构成电路最基本、最常用的元件。在电子系统设计中，电容的精确测量对开发高质量的电子产品具有重要意义。在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性1。在测量领域，电容容量是一个基本的测量对象。电容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。物质的某些物理或化学特性往往与电量信号有着紧密联系，例如溶液中某种成分的浓度与电容存在一定的对应关系。当物质的特性发生变化时，与它相关的电信号也会发生变化2。因此，可以根据这种电量与非电量之间的关系进行测量，获得期望的非电量信号，如通过测量中药溶液中的电容值，获得与之对应的某种成分的浓度信息，以实现中药生产过程的实时监控等。研究电容测量技术，可以测量物性、湿度、水分、密度、液面高度、距离等。现在已经出现了相应的检测仪器，称之为物性分析仪表，例如电容式湿度计、电容式水分计、电容式密度计、电容式液面高度计等等。因此，此课题对我们日常生活有极其重要的作用。随着工业体系对测量技术的要求越来越高，电容测量电路的设计是为了准确的测量电容性能。当我们需要一个特定的电容时，这时我们就用我们设计的电路来测量它以便于我们选择。基于无线电技术的发展与普及，频率已经成为广大群众所熟悉的物理量。而单片机的出现更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃，其小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域占有非常重要的地位。为此，本文给出了一种用单片机进行频率测量的电容测量电路。1.2 研究现状电容容量测量近年来得到大范围的推广应用。国内外越来越多的人研究电容测量技术，努力提高其精度。电容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。通过测量极板电容器的电容量可以获得极板问电介质材料的介电常数、极板间距等重要参数，在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等领域有着广泛的应用，对推动科技及生产发展均有重要应用价值。测量电容被测量的方法各有不同，在过去电容的测量系统中，几乎都是根据普通的电路原理，用一些常规的方法来测量的，它们各有其优缺点，比如把它作为阻抗的虚部来测量的，还有充电法，比例法等等，一般都存在计算复杂、精度不高、不易实现自动测量而且很难实现智能化2。现在随着单片机技术的不断成熟，用单片机去测量电容容量会更精确，智能化。下面是国内外的一些电容测量仪产品：国外的：美国安捷伦Agilent 4268A电容测试仪能以恒定的高电平测试信号高速测量大数值的多层陶瓷电容器，符合IEC384-10标准。120Hz测量能对达600F提供恒定1V测试信号。美国安捷伦Agilent 4288A电容测试仪按照工业标准进行改进后，这种新型电容测试仪可以为生产线测试提供更小的占地面积、更高的精度以及更快的批量测试能力。TES（泰仕）生产的TES-1500型电容表，精度0.5%，规格0.1pF-20,000F。国内的：同惠仪器电容测量仪TH2618B是一种精度高、测试范围宽、操作简便、功能完善的电容测量仪。该产品可提供至10kHz的典型测试频率及四档分选功能，尤其适用于生产线快速测量， 该产品具有强有力的抗冲击保护能力，解决了长期以来电容测量仪冲击保护能力差这一困扰使用者的顽症。完善的HANDLER接口可以方便地应用于元件自动分选系统。常州市惠发电子有限公司生产的多频电容测量仪其特点如下：六个典型测试频率，最高频率1MHz，整机可靠性、稳定性强，适用于小电容、晶体管结电容的测量，最高达20次/秒的测试速度，自行诊断故障功能。深圳市欧凯特电子有限公司生产的TH2617型电容测量仪是一种高精度、宽测试范围的电容参数测量仪器，可方便选择100Hz、120Hz、1kHz、10kHz、40kHz、100kHz六个典型测试频率，并可选择0.1V、0.3V、1.0V三个测试信号电平。TH2617A提供了独特的双频测试功能，仪器可同时在两个任意设定的频率下测试并将结果输出显示和分选。仪器既能适应生产现场高速检验的需要，又能满足实验室高准确度高稳定度的测量需要，同时仪器所提供的HANDLER及RS232C接口为仪器使用于元件自动分选系统和与计算机联网通讯提供了条件, 打印接口可直接将仪器测量条件输出至打印机。1.3 发展趋势 随着集成电路技术和数字电路技术的飞速发展,电容测量技术也得到很好的发展。由于传统的检测电路已经不能满足现代测量的需要，研制更高精度和快响应速度的检测电路成为必要。电容充放电检测技术是最近研究比较多的电容检测方法，国外已经利用此方法实现了两相流的图像分析。有的公司设计出芯片。例如，CD8010 该芯片是美国一家公司最近开发的，芯片暂命名为CD8010。该芯片是一个高分辨率的一型电容数字转换器，可测量单端输入电容信号和差动电容信号，外围电路简单。芯片分辨率达24位，由于电路中杂散电容的影响，一般能够使用的分辨率为18位。测量精度为4fF，转换温度漂移为27ppm/，测量范围8.192pF，可设置的共模电容最大为17pF，数据采样率为5Hz到45Hz可调，内置转换时钟，更能减小系统体积。通信采用兼容的两线串行接口，易于控制，应用温度范围极宽，极其适合于安放在传感器内部，能工作在较差的温度环境中。芯片可以通过单端3.3V或5V供电，在工作时，最大电流为lmA。使用本芯片可以使系统功耗大大降低，测量电路的总功耗低于5mW3。随着测控系统自动化、智能化的发展，要求数据采集和处理系统的准确度更高，可靠性更强，并具有一定的自校验、自补偿等功能。传统测控方式已不能满足这些要求。近几年来， 伴随着单片机的发展而产生功能强大的数据采集系统可以准确、及时地获得并处理信息，提高了收集环境信息的有效性和速度。智能化、数字化数据采集系统己成为当今科技界研究的热门课题。目前,国内外在电容检测方面的研究重点是:(1)电容检测电路的抗干扰和抗杂散电容的研究。(2)提高测量电路的测量精度，尽量满足工业检测和控制的需要。 (3)进一步使测量系统朝着智能式，便携式，模块化方向发展。电容测量会随着测量技术的发展朝着精密化、高速化、自动化、集成化、智能化、经济化、非接触化和多功能化方向发展1.4 本论文的主要工作1.设计电容测量电路，使之能够在0-100微法之间分档测量电容值。2. 设计电容测量模拟电路输出信号的数据采集和处理系统，显示所测量电容值。3.对所设计的模拟电路进行仿真。37第2章 电容容量测量的原理和设计要点第2章 电容容量测量的原理和设计要点2.1 电容的基本知识电容（或电容量, Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。电容（或称电容量）是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容器从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，除了介质漏电自放电效应，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。电容器的基本作用就是充电与放电，但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容器有着种种不同的用途，例如在电动马达中，我们用它来产生相移；在照相闪光灯中，用它来产生高能量的瞬间放电等等。 而在电子电路中，电容器不同性质的用途尤多，这许多不同的用途，虽然也有截然不同之处，但因其作用均来自充电与放电。很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元器件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。由于电容器的类型和结构种类比较多，因此，使用者不仅需要了解各类电容器的性能指标和一般特性，而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点、机械或环境的限制条件等。2.2电容测量原理简介 下面介绍一些测量电容的方法。1.交流电桥电路 在较低工作频率下常采用电桥电路即AC桥路法实现电容变化的精确测量。其原理是将被测电容放在一个桥臂上,可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂上，两桥臂分别接到频率相同、幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参考阻抗共轭相等。这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高SNR(信噪比)。其缺点是：不具备自动平衡措施，构成较复杂4。电桥法可以准确的测试被测电容器的电容量、介质损耗值，以前用手动电桥为了达到电桥的平衡需调整数十个旋钮，测试结果需要大量的换算，对操作技能要求较高，测试工效很低，80年代问世了数字自动电桥，电桥在内部微机的控制下自动平衡，最终结果直读得到，大大方便了使用，如今高压西林电桥、高频电桥等几乎已经被自动化电桥所替代。2.电荷法 这种方法是利用对电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波就能得到随被测信号变化的信号。该电路能抗杂散电容，电路结构简单、成本低，经过软件补偿后电路稳定性较高。充放电频率高，因而获取数据速度快。其主要缺点是：采用直流放大存在漂移问题；存在CMOS开关引起的电荷注人问题5。3.脉冲调宽型电路 差动脉冲调宽电路利用对电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容量变化而变化。通过低通滤波器就能得到被测量变化的直流信号。差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对组件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的电压，对输出矩形波的纯度要求也不高6。小型电容测试仪还常用积分法或斜率法（含双斜率）测试电容，原理是测试RC积分时间或以恒流源对被测电容充电，用充电时间或充电终止电压来计算被测电容的电容量，可以达到比较高的测试精度。2.3 本论文的测量原理 本论文采用脉冲计数法进行电容容量测量，脉冲计数法设计思想是把电容C通过RC三点式振荡转换成频率信号f，这样就把模拟量转为数字量，然后送入单片机进行计数后再对数据进行处理和软件编程等一系列运算求出电容C，最后送显示器显示。它主要由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟电路主要用于产生RC振荡频率f，而数字电路则用于对所产生的振荡频率进行计数、处理、控制并送显示器显示等。2.4本论文的设计要点1 设计电容测量的模拟电路，使之能够在0-100微法之间分档测量电容值。 通过阅读文献资料，确定设计方案，是把电容量转换为电压量还是转换为频率等，设计出方案的模拟电路。由于测量范围比较大，电路在同一元件下不会一直有很高的精确度，所以要改变部分元件参数达到精确测量的目的，既要分档测量。确定是要通过改变阻值进行分档测量还是通过改变其他元件参数使该电路在0-100微法之间进行分档测量。处理好各元件之间的连接问题，以免出现不必要的错误。2 设计电容测量模拟电路输出信号的数据采集和处理系统，显示所测量电容值。 此部分主要设计采用哪种单片机进行数据的采集和处理以及用哪种显示器，使电路的测量精度高，性能好。并进行软件的编写处理单片机所采集的数据。还有各元件的接口问题,怎么进行连接，使电路能够有序的进行数据传输，保持数据的真实性，使电路稳定，产生的误差小。随着测控系统自动化、智能化的发展，要求数据采集和处理系统的准确度更高，可靠性更强，并具有一定的自校验、自补偿等功能。传统测控方式已不能满足这些要求。近几年来， 伴随着单片机的发展而产生功能强大的数据采集系统可以准确、及时地获得并处理信息，提高了收集环境信息的有效性和速度。智能化、数字化数据采集系统己成为当今科技界研究的热门课题。当今的许多种单片机系列和显示器种类，各有其优缺点。要依据本课题进行正确的选择，达到优选的目的。3 涉及整个系统的电源。 电源电路设计影响整个电路的稳定性。如果使用高频的电源很容易产生电磁干扰，影响电容测量电路的正常工作。要采用适当的电源电路保证整个电路稳定的实现其功能。2.5本章小节 本章介绍了几种传统的电容测量方法：交流电桥电路、电荷法、脉冲调宽型电路，他们各有优缺点。接着简要说明了本设计的基本测量原理以及设计要点，为后续电路设计打好基础。 第3章 电容电路测量设计第3章 电容测量电路设计3.1总体设计首先设计RC振荡电路，接入被测电容后，由555定时器构成振荡器产生方波。然后，把此脉冲信号通过接口传到8051单片机上，对此脉冲信号进行计数，通过软件编程，使之转换成电容值，最后由1602液晶屏显示电容值。电容测量电路的整体框图，如图（3-1)。下面是各部分电路的设计。 图3-1 电容测量电路的整体框图3.2 RC振荡电路设计建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电，对于RC振荡电路来说，直流电源即是能源，自激的因素是微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，为此采用555定时器来产生RC振荡频率7。3.2.1 555振荡电路555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器 (G1、G2)、放电BJT以及缓冲器G(G3、G4)组成。其内部结构如下图(3-2)。当它把6号引脚和2号引脚接在一块时构成了斯密特触发器，再把7号引脚经RC积分电路接回到它的输入端就构成了多谐振荡器。外接相应的电阻和电容时便可产生多谐振荡，得到需要的频率。接通电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和BJT放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为 (3-1) 当C放电结束时，BJT截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为 (3-2)当Vc上升到2/3Vcc时，触发器翻转，如此周而复始，在输出端得到一个周期性的方波，其频率为 (3-3) 图3-2 555定时器的内部结构在本设计中 (3-4) 即： (3-5)当R1、R2、C2确定时，f与Cx是一一对应关系。由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，能保证检测结果的准确性。电容测量的“脉冲计数法”正是利用了555定时器构成多谐振荡器这一原理来设计的8 。3.2.2 电容分档测量电路本设计的要求是对1pF到100F之间的电容进行测量。由于跨越了8个数量级，范围比较大，所以要进行分档测量。图3-3 电容分档测量电路图测量电路分成三个档进行测量：1pF1000pF、1nF1000nF、1F100F。通过查阅资料、进行精确的推理计算，确定出电容分档电路图即模拟部分电路图。其中CON引脚接10nF为了提高电路稳定性。这个电路图通过仿真可以产生脉冲。模拟部分电容分档电路图如图（3-3），其中J1、J2、J3为所分档的三个开关，A、B、C分别为三个开关的快捷键。例如按下字母A开关J1就闭合，再次按字母A开关J1就打开。Cx为被测电容。OUT为输出脉冲的引脚，与单片机相连。1F100F 对应 f=22Hz2216 Hz；1nF1000nF 对应f=13 Hz 13164 Hz；1pF1000pF对应 f=14 Hz 14493 Hz。3.2.3测量电路中电阻的选择 在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1C时电阻值发生变化的百分数。电阻是所有电子电路中使用最多的元件。下面是几种类型的电阻器: 1 碳膜电阻器 将结晶碳沉积在陶瓷棒骨架上制成。碳膜电阻器成本低、性能稳定、阻值范围宽、温度系数和电压系数低，是目前应用最广泛的电阻器。 2 金属膜电阻器。 用真空蒸发的方法将合金材料蒸镀于陶瓷棒骨架表面。金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声，温度系数小。在仪器仪表及通讯设备中大量采用。 3 金属氧化膜电阻器 金属氧化膜电阻器是用锡和锡的化合物喷制成溶液，经喷雾送入500500的恒温炉，涂覆在旋转的陶瓷基体上而形成的。其性能与金属膜电阻器类似，但电阻值范围窄。其典型的特点是金属氧化膜与陶瓷基体结合的更牢，耐酸碱能力强，抗盐雾，因而适用于在恶劣的环境下工作。 4 合成膜电阻 将导电合成物悬浮液涂敷在基体上而得，因此也叫漆膜电阻。由于其导电层呈现颗粒状结构，所以其噪声大，精度低，主要用他制造高压，高阻， 小型电阻器。 5 绕线电阻 用高阻合金线绕在绝缘骨架上制成，外面涂有耐热的釉绝缘层或绝缘漆。绕线电阻具有较低的温度系数，阻值精度高，稳定性好，耐热耐腐蚀，主要做精密大功率电阻使用，缺点是高频性能差，时间常数大。 6 实芯碳质电阻 用碳质颗粒壮导电物质、填料和粘合剂混合制成一个实体的电阻器。 特点：价格低廉，但其阻值误差、噪声电压都大，稳定性差，目前较少用。 7金属玻璃铀电阻 将金属粉和玻璃铀粉混合，采用丝网印刷法印在基板上。耐潮湿，高温， 温度系数小，主要应用于厚膜电路。国家标准规定了电阻的阻值按其精度分为两大系列，分别为E-24系列和E-96系列，E-24系列精度为 5%，E-96系列为1%。下面是根据电路特点选用不同类型的电阻：高频电路:分布参数越小越好,应选用金属膜电阻、金属氧化膜电阻等高频电阻。 低频电路:绕线电阻、碳膜电阻都适用。 退耦电路、滤波电路: 对阻值变化没有严格要求,任何类电阻器都适用。 本设计555振荡电路为低频电路故选用精度为5的碳膜电阻。如上图所示选择以欧姆为单位的电阻标称值为560、110K、100M、47、100。3.3 数字部分电路设计本设计的数字部分电路主要任务是脉冲计数和显示被测电容值。其中脉冲计数由单片机完成，电容值由显示器来显示。下面是关于单片机和显示器的一些内容。3.3.1 单片机的选择 单片机自20世纪70年代问世以来，以极奇高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较容易。广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后，也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统，并可获得较高的增益。正因为如此，在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、家用电器各个方面。单片机就是在一块硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM,ROM,E-PROM)和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机9。单片机依据其基本操作处理的位数可分为：1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1. CPU的改进 （1）采用双CPU结构，以提高处理能力。 （2）增长数据总线宽度，单片机内部采用16位数据总线，其数据处 理能力明显优于一般8位计算机。 (3) 采用流水线结构。 (4）串行总线结构。2.存储器的发展（1） 加大存储容量（2） 片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash)存储器。（3） 程序保密化。3.片内I/O口的改进（1）增加并行口的驱动能力。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。4.外围电路内装化5.低耗化本设计选择的单片机是8051芯片。8051芯片是MCS一51系列单片机，是美国Intel公司推出的高性能8位单片微型计算机。8051单片机的片内结构如果按功能分，它有如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口（P1口、P2口、P3口、P4口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。CPU是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。CPU主要由运算部件和控制部件组成。下面我们把CPU功能模块和有关的控制信号线联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备（如振荡电路和时钟电路）。1.运算部件 它包括算术、逻辑部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。 8051单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存入除数及余数。8051单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的累加器。运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。8051单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。 2.控制部件 控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。 下面介绍一下8051的中断系统。 中断系统是为使CPU 具有对单片机外部或内部随机发生的事件的实时处理而设置的。8051片内中断系统能大大提高8051单片机处理外部或内部事件的能力。如果单片机没有中断功能，单片机对外部或内部事件的处理只能采用程序查询方式，即CPU不断查询是否有事件发生。单片机都具有实时处理功能，能对外部或内部发生的事情做出及时的处理，这是靠中断技术实现的。当CPU正在处理某件事情的时候，外部或内部发生的某一事件请求CPU迅速去处理，于是CPU暂时中止当前的工作，转去处理所发生的事情，中断服务处理程序处理完该事件后，再回到原来被终止的地方，继续原来的工作，这样的过程称为中断。如图（3-4）所示。图3-4 中断流程图处理事件的过程，称为CPU的中断响应过程。对事件的整个处理过程称为中断服务（或中断处理）。 实现这种功能的部件成为中断系统，产生中断的请求源称为中断源。中断源向CPU提出的处理请求，称为中断请求或中断申请。中断方式完全消除了CPU再查寻方式中的等待现象，大大提高了CPU的工作效率。8051单片机的中断系统有五个中断源（,定时器/计数器T0溢出中断请求，定时器/计数器T1溢出中断请求，串行口中断请求)，两个中断优先级可实现两级中断服务嵌套10。本设计用到的是定时器/计数器T0溢出中断请求标志为TF0。在对外部脉冲进行计数时，8051单片机用T0进行定时，T1进行计数。在T0定时的时候会用到中断系统。3.3.2 单片机时钟电路设计时钟电路用于产生8051单片机工作时所必需的时钟信号。8051本身就是一个复杂的同步时序电路。为保证同步工作方式的实现，8051单片机应该在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊的一拍一怕地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。常用时钟电路有两种方式,一种是外部时钟方式，另一种是内部时钟方式11。1.外部时钟方式外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片8051单片机同时工作，以便于同步。对外部脉冲信号的要求一般为低于12MHz的方波。外部时钟源直接接到XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。电路见图（3-5）。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个4.7K10K的上拉电阻。2.内部时钟方式8051单片机内部有一个构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器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振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，图（3-6）是8051单片机内部时钟方式的振荡器电路。本设计采用内部时钟方式，选用6MHz的石英晶体。外接电容的大小会影响晶体振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。故电路中的外接电容C1、C2选用30pF来保证电路的稳定性和精确度，为了提高温度稳定性，采用温度稳定性好的NPO高频电容。在安装时，晶体和电容尽可图3-5 8051外部时钟方式的电路图3-6 8051内部时钟方式的电路能的和单片机安装的近一点，目的是减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作。3.3.3 单片机的复位电路设计 复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使8051单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化为0000H，是8051单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为了摆脱死锁状态，也可按复位键重新启动。8051的复位是由外部的复位电路实现的。8051单片机片内复位结构见图（3-7)。图3-7 8051的片内复位结构 复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图（3-8)。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。除了上电复位，有时候还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通实现的，按键手动电平复位电路见图（3-9）。图（3-8) 上电自动复位电路图（3-9) 按键手动电平复位电路本设计采用按键手动电平复位电路，灵活性比较好。C取22F,Rs取200，Rk取1K。3.3.4 单片机的定时器/计数器设置在现代工业检测、控制中，许多场合都要用到计数或定时功能。8051单片机内有两个可编程的定时器/计数器T0、T1。两个定时器/计数器都有定时和计数两种工作模式。1. 计数工作模式 计数功能是对外来脉冲进行计数。每当外部输入脉冲发生负跳变时，计数器加1。2.定时工作模式定时功能也是采用计数器的计数来实现的，不过此时的脉冲来自单片机的内部(每经过一个机器周期，计数器加1)。8051单片机有四种工作方式(方式0，方式1，方式2，方式3)，通过对特殊功能寄存器的编程，用户可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和四种工作方式。定时器/计数器工作在方式0时，为13位的计数器，由TLX（X=0,1）的低五位和THX的高八位所构成。最长可定时16.384ms。定时器/计数器工作在方式1时，为16位的计数器，由TLX（X=0,1）作为低位和THX作为高八位所构成。最长可定时131.072ms。定时器/计数器的方式2为自动恢复初值的（常数自动装入)8位定时器/计数器，THX作为常数缓冲器，当TLX计数溢出时，在置1溢出标志TFX的同时，还自动地将THX的常数装入TLX，使TLX从初值开始重新计数。方式3是为了增加一个附加的8位定时器/计数器而提供的，从而使8051具有三个定时器/计数器。方式3只适用于T0，T1不能工作在方式3。 当定时器/计数器用作计数时，计数脉冲来自相应的外部输入引脚T0/T1。当输入信号产生由1到0的负跳变时，计数器的值增1。每个机器周期的S5P2期间，对外部脉冲进行采样。由于确认一次负跳变需要花两个机器周期，即24个振荡周期，因此外部输入的计数脉冲的最高频率为振荡器的1/24。在本设计中，使用T0作为定时器，T1作为计数器。为实现外部脉冲计数，在T0计时一秒时，读出T1中的值。T1中的数值为外部脉冲的频率，即一秒钟RC振荡器产生的脉冲数目。3.3.5 液晶显示器的选择 随着智能仪器设备的快速发展,液晶显示器的使用越来越普遍。与传统的数码管相比,液晶显示器具有显示信息多、显示规范、体积小和功耗低等优点,因此是智能仪器、智能设备显示终端的首选。目前,液晶显示器主要可分为点阵字符式和点阵图形式。点阵字符式价格比较低廉、使用也比较方便,但它一般只能显示模块预先存储的几十到一百个字符,使用受到一定的限制；而点阵图形式可以根据需要显示各种图形、曲线、汉字和字符,因此有更加广泛的用途。点阵字符型液晶显示器专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器点阵驱动器字符存贮器全做在一块印刷板12。本设计中采用常用的2行16列的字符型的金鹏实业有限公司1602液晶模块来显示电容值。1602采用标准的14脚接口，其中: 第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。3.4 各接口电路设计 555振荡电路、单片机和显示器很好的连接起来才能完成电容的整个测量过程。为使电路能够有序的进行数据传输，保持数据的真实性，使电路稳定，产生的误差小，要对各接口进行精心设计。测量电路采用5V直流电源。下面是各接口电路的设计。3.4.1 RC振荡器与单片机的接口电路设计 RC振荡电路输出的是矩形波脉冲，振荡器的输出口要接到T1的输入引脚P3.5。这是因为T0设置为定时器，计内部脉冲，T1设置为计数器计外部脉冲。其接口电路如图（3-10）。3.4.2 单片机与显示器的接口电路设计单片机P2口分别控制RS、R/和使能端E。D0D7为1602液晶模块的8位双向数据线，分别与8051单片机的P1.0P1.7口相连，用于传输数据。单片机与1602液晶模块连接图如图（3-10）。图3-10 各接口电路图3.5 本章小结本章介绍了电容测量电路模拟部分和数字部分的设计。模拟部分采用RC振荡电路产生脉冲，RC振荡电路是由555定时器构成的多谐振荡器并介绍了它的工作原理。单片机选用美国Intel公司推出的高性能8位单片微型计算机MCS一51系列单片机的8051芯片，并对8051单片机的时钟电路和复位电路进行设计，设置中断系统和定时器/计数器。随后介绍了显示器的选择。最后介绍了各接口电路的设计。第4章 电路仿真和误差分析第4章 电路仿真和误差分析4.1模拟电路部分仿真模拟电路部分即RC振荡电路产生矩形波部分。其仿真电路如图（4-1）。图4-1 模拟部分仿真电路图 按下J1开关时，是对1F100F的电容进行测量；按下J2开关时，是对1nF1000nF的电容进行测量；按下J3开关时，是对1pF1000pF的电容进行测量。当被测Cx值不同时选择不同的档位。其仿真结果如图（4-2）。4.2数字电路软件设计部分测量频率的方法一般分为无源测频法、有源测频法及电子计数法三种。无源测频法(又可分为谐振法和电桥法)，常用于频率粗测，精度在1左右。有源比较法可分为拍频法和差频法，前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，常用于低频测量，误差在零点几Hz；后者则利用两个非线性信号叠加来产生差频现象，然后通过检测零差现象进行测频，常用于高频测量，误差在20 Hz左右。以上方法在测量范围和精度上都有一定的不足，而电子计数法主要通过单片机进行控制。由于单片机的较强控制与运算功能，电子计数法的测量频率范围宽，精度高，易于实现13。本设计就是采用单片机电子计数法来测量频率。图4-2 模拟部分仿真结果 模拟部分的脉冲信号传入到8051单片机内部。单片机对其进行计数，计其一秒钟的数值。用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种方法。测量频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数；测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。本设计采用测频法测量。8051单片机的系统时钟采用6MHz，把T0设置为定时的工作模式。因为T0要定时一秒，它的四种工作方式每种方式的最长定时时间如下：方式0最长可定时16.384ms；方式1最长可定时131.072ms； 方式2最长可定时512s；方式3一般不常用。 所以我们选择方式1让其定时100ms。计算其初值：因为：所以：X=15536=3CB0H因此：TH0=3CH,TL0=B0H把TH0和TL0的值通过编写程序送到T0所对应的特殊功能寄存器中。T0定时一秒，所以需要十次计数，可以用循环程序的方法实现。一秒钟时间到，T0停止工作。但由于用循环方法时会造成定时时间实际上不是一秒，而是更长，造成计数误差。因为执行循环指令本身和其他一些指令就是在加长时间。所以采用T0只定时100ms不循环，这样可以提高精度减少误差。在定时过程中，需要中断服务。T1设置为计数方式，当满100ms时，读T1特殊功能寄存器（TH1，TL1）中的值即为脉冲计数值，将其转化为十进制，再将其值乘以10，就可以算出定时一秒钟，T1的计数值。通过所对应的公式计算出相应的电容值送至1602显示器，显示出其电容值。其流程图如图（4-3）。4.3 误差分析下面我们对所设计的电路进行误差分析。4.3.1电阻误差分析误差选用:时间常数RC电路所需电阻器的误差尽量小，一般可选5%以内。电阻的主要特性参数如下： 1.标称阻值：电阻器上面所标示的阻值。 2.允许误差：标称阻值与