【本科优秀毕业设计】数字电容测量仪设计品

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STC89C52LCD1602ABSTRACTTHECURRENTMODERNELECTRONICMARKETISHEADEDINFASTANDCONVENIENTLARGECAPACITYANDTHEDIRECTIONOFDEVELOPMENT,MODERNELECTRONICPRODUCTSTOUSETOALMOSTALLAREASOFSOCIETYOFPOWERFULPROMOTEDTHEDEVELOPMENTOFMODERNSOCIETYATTHESAMETIME,THEELECTRONICPRODUCTSALSOAREREQUIREDTOFASTERSPEEDUPGRADEANDMOREFASTPROCESSTHISDESIGNTOSTC89C52SINGLECHIPMICROCOMPUTERAND555OSCILLATORASTHEMAINCOMPONENTS,TOREALIZETHEBASICCAPACITYOFCAPACITANCEMEASUREMENTTHISDESIGNBASEDONTHE555OSCILLATORTOGENERATEMORETHANAHARMONICOSCILLATORINPUTPULSESIGNAL,ANDTHENTHROUGHTHESTC89C52MICROCONTROLLEREACHOTHERTOINTERRUPTPULSECOUNTANDMEASUREMENTOFCAPACITANCEINORDERTOJOINTHEOUTPUTOSCILLATORA74HC08TOMAKETHEOUTPUTWAVEFORMBURRREDUCED,SOTHATTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERVARIABLEPRECISIONMEASUREMENTRESULTS555OSCILLATORGENERATEDSIGNALWILLBESELECTEDACCORDINGTOTHERESISTANCEOFTHERESISTANCEISDIFFERENT,WHICHREGULATESCAPACITANCEPARAMETERVALUE,WHICHCANDETERMINETHECAPACITYOFTHECAPACITANCEVALUERANGE,THELASTTHROUGHTHELCD1602DISPLAYSHOWSMEASUREDCAPACITANCELETVALUEINSOFTWAREDESIGN,THISDESIGNUSINGCLANGUAGETOWRITETHEPROGRAMTHEINSTRUMENTHASCONVENIENTANDQUICK,SIMPLE,PRACTICAL,ANDLOWPRICES,ETCKEYWORDSCAPACITANCEMEASUREMENTS555OSCILLATORSTC89C52LCD1602目录摘要IABSTRACTII目录I1绪论111引言12STC89C52单片机的基本功能及应用221STC89C52芯片介绍222STC89C52应用说明323单片机工作的最小化配置43系统设计531设计要求532整体方案设计54硬件设计931时钟电路932按键电路933复位电路1034555芯片电路1135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程序清单21致谢271绪论11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。2STC89C52单片机的基本功能及应用21STC89C52芯片介绍STC89C52是一种低电压、高性能的CMOS8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1STC89C52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05V的低电平。P0口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/PROGALE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/VPPEA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。XTAL1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。22STC89C52应用说明STC89C52主要性能如表1所示表1STC89C52主要性能23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2STC89C52的最小化配置STC89C52各引脚性能STC89C52各引脚性能与MCS51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3系统设计31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1PF100UF；4、方便、快捷且成本低廉。32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UQC同时放电常数RRC，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TARC（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所示图3方案一系统框图这种方法硬件结构相对复杂，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。反相器单稳态触发器窄脉冲触发器秒脉冲发生器标准计数脉冲计数器锁存器译码器显示（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CXRF720我们固定R的大小，其公式就可以写为XKF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，这种研究方法相当的简单。系统框图见图4图4方案二系统框图被测电容复位电路晶振电路555LCD1602按键测量STC89C52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31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32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能仪器中，使用的较多的一般是非编码键盘。图6就是一种比较典型的按键电路，在按键没有按下的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候，输出的是低电平。图6系统按键电路33复位电路复位电路是为单片机提供正确的复位信号，由一个电阻、按键和一个电容组成，使单片机上电的时候复位。单片机复位电路主要包括积分复位、微分复位、比较器复位和看门狗复位这四种类型。52单片机的复位功能主要是由外接复位电路来实现的，单片机在启动时都会需要复位电路来实现CPU和各个原件都处于初始状态，并从初始状态开始工作。该复位电路采用的是按钮复位这种方式，还有一种方式是上电自动复位。上电自动复位电路通过外接的电解电容自动充放电从而实现电路的复位作用，只要VCC的上升时间低于1MS，自动上电复位就可以实现。图7中所示的电解电容在系统内可以起到上电复位的作用，因为考虑到芯片刚刚上电时由于供电不稳定而做出错误的计算，所以增加一个上电复位以达到延时启动CPU的目的，使芯片能够正常工作。虽然现在很多芯片自带了上电延时功能，但是我们一般还是会增加额外的上电复位电路，提高可靠性。当按压式开关按下时，电容两端构成回路并放电，使RST端重新变为高电平，按键抬起时电容又充电使RST变回低电平电路。图7系统复位电路34555芯片电路555芯片电路是一种能将模拟数据功能与逻辑数据功能结合在同一个芯片上的组合式集成电路。它的设计新颖、功能强大、适用面广泛，深受电子方面工作人员以及电子爱好者的喜爱，因此人们称555芯片为小IC。555芯片电路能应用的电路有很多，例如多个单稳、双稳触发器以及一个单稳和无稳触发器，一个双稳和无稳触发器等组合。在实际电路应用中，除了一些简单的电路外，555芯片还可以与不同的原件组合出很多功能不同的电路。本次设计中应用的电路是直接反馈型无稳类电路。电路如图8所示图8555芯片电路在555芯片输出方波后，由于硬件的原因，输出的方波会有很多毛刺，所以为了去除这些毛刺本设计中使用了一个两输入与门（74HC08），让信号通过74HC08后会使输出的波形毛刺减少很多，使单片机的测量结果变得精确。555时基芯片的输出频率跟所使用的电阻R和电容C的关系是720F又因为，所以FT1072RTC即TR如果单片机采用12M的晶振，计数器T0的值增加1，时间就增加1S，我们采用中断的方式来启动和停止计数器T0，中断的触发方式为脉冲下降沿触发，第一次中断到来启动T0，计数器的值为，第二次中断到来停止T0，计1N数器器的值为，则测量方波的周期为2N21TUS如何开始时刻计数器的值，则。10N610T则672CR单片机的计数器的值N065535，为了测量的精度，N的取值一般在1005000，当电阻R越大，电容C的值就越小。我们取不同的电阻值，就得到不同的电容测量的量程。第一档150UF17261010UF第二档015UF2R6NCNC第三档00105UF37K2610210U第四档0001005UF42363F在图中，由4个开关来控制这4个档位。分别是K1控制第一档；K2控制第二档；K3控制第三档；K4控制第四档。在操作工程中，当一个档位的开关接通时，其他三个档位的开关必须关闭，这样才能实现对档位的控制。为了编写程序的方便，我们只计算后面的单位可以根据使用的量程N10自行添加。测量范围的大小0001UF65535UF。由于这些阻值的电容在市场上根本买不到，所以该设计采用的是与其阻值相近的精密可调电阻来代替。35显示电路由于本设计需要显示的数据较多，同时LCD1602与同类产品相比拥有功耗小、数据显示丰富、体型轻便，功能强大等诸多优点，在很多电子产品和单片机系统中得到了广泛的应用。因此，我选择LCD1602作为该设计的显示器。LCD1602一共有16个引脚，其引脚分布如图9所示图9系统显示电路1602采用标准的16脚接口，引脚具体功能如表2所示表2LCD1602各引脚功能图引脚号引脚名电平输入/输出作用12345678910111213141516VSSVCCVEERSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7AK0/10/10,100/10/10/10/10/10/10/10/1VCC接地输入输入输入输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出电源地电源（5V）对比调整电压0输入指令，1输出数据0写数据，1读数据使能信号，1时读信息，0时执行指令数据总线LINE0（最低位）数据总线LINE1数据总线LINE2数据总线LINE3数据总线LINE4数据总线LINE5数据总线LINE6数据总线LINE7（最高位）LCD背光电源正极LCD背光电源负极5程序设计单片机的使用除了硬件，同样也要到软件，该设计程序设计使用的是KEIL软件，KEIL是目前最流行开发MCS51系列单片机的软件。在主程序中，通过检测按键是否按下来执行循环程序。通过单片机P37端口检测是否开始测量电容，然后通过端口P36端口对555定时器复位端进行方波输出控制。最后通过程序对外部中断0与定时器控制，计算出电容值得大小并通过LCD1602进行显示。图10为该程序设计的流程图图10软件设计流程图T0，INT0初始化启动555有无中断有无按键有无中断启动计数器T0停止计数器T0计算电容的大小显示电容值有无按键NYNNYNYNY6总结本设计从起草到完稿，耗时大约一个月。在这次的设计的各个过程中，遇到了许多的困难。首先在原理图的设计过程中，由于对STC89C52的工作原理不太了解，导致在刚开始编写程序时不知道该如何下手。后来通过翻阅课本和在网上查找资料，基本了解了STC89C52的工作原理，才有了初步的思路。本设计通过由555芯片和电容电阻组成的振荡电路来输出方波，通过单片机定时器T0测量其脉冲宽度，从而达到测量其周期的目的，再通过单片机软件编程，对数据进行进一步的计算从而得出被测电容的值，最后再通过LCD1602显示初被测电容的容值。其次在电路焊接过程中，与单片机连接的LCD始终不亮，用万用表测试发现是显示管脚接错了，重新焊接以后，LCD1602就亮了。但是后来写入程序进入单片机后，LCD1602没有正确显示，检查后才发现是555振荡器有个引脚与单片机引脚接错了。最后在论文的撰写过程中，由于自己对WORD的掌握程度不够，导致论文撰写速度很慢，格式也老是弄错。但在自己的努力学习下学会了如何用WORD文档进行论文排版，并最后顺利的完成了论文。焊晶振要注意一定要尽量保证晶振焊脚与18、19脚的焊脚是最短，对称的，晶振焊脚与30PF的电容也要求最短和对称。因为在STC89C52最小系统搭建中，最关键的就是确保晶振能起振。感觉晶振比较娇气，偏差一点点就很容易不振或乱振。前两次的最小系统就是因为没有起振，所以失败了不过有过两次经验之后，我终于将这个问题解决了。在21世纪这个数字化时代，数字电容测量仪正朝着高精度、低成本、方便快捷的方向发展，这就要求我们掌握更多的设计技术。相信经过我们的不断努力学习，我们一定有能力设计出越来越好的数字电容测量仪，以满足人们在日常工作和生活中的需求。参考文献1刘光斌，刘冬，姚志成单片机系统实用抗干扰技术M北京人民邮电出版社，20042张毅刚单片机原理及应用M北京高等教育出版社，20053杨小川PROTELDXP设计指导教程M北京清华大学出版社，20044万文略单片机原理及应用M重庆大学出版社，20045李金平，沈明山，姜余祥电子系统设计M北京电子工业出版社，20076王毓银数字电路逻辑设计M北京高等教育出版社，19997付晓光单片机原理与使用技术M北京清华大学出版社，20078康华光电子技术基础M北京高等教育出版社，20009江世明基于PROTEUS的单片机用用技术M北京电子工业出版社，200910边春元C51单片机典型模块设计与应用M机械工业出版社育出版社，200811李海清，黄志遥电容传感器新型微弱电容测量电路J北京传感技术学报，200212罗民昌集成电路系统M北京中国铁道出版社，199813李桂安电子技术实验及课程设计M南京东南大学出版社，200814夏继强单片机实验与实践教程M北京北京航空航天大学出版社，200115郝波数字电子技术M西安西安电子科技大学出版社，200716肖洪兵跟我学用单片机M北京北京航空航天大学出版社，200217申忠如，郭福田，丁晖现代测试技术与系统设计M西安西安交通大学出版社，200618赵文博新型常用集成电路速查手册M北京人民邮政出版社，200619薛文，华慧明新编实用电子技术快速入门M福州福建科学技术出版社,200320丁英丽交流型微小电容测量电路的设计J北京电工技术杂志，2003附录附录1实物图附录2元件清单元器件数量单位万能板STC89C52芯片单片机/555底座12M晶振按键开关555芯片10K排阻/200/10K/1K电阻LCD160274HC085V电源103可变电阻开关100/1K/10K/100K精密可调电阻30PF瓷电容10UF/35UF电解电容111141111116111块个个个个个个个个个个个个个个附录3系统原理图附录4程序清单INCLUDEINCLUDE/库函数DEFINEDATAP0SBITRWP26/1602写数据SBITRSP25/1602写地址SBITENP27/1602工作使能SBITB_TESTP37/开始测量电容的按键输入SBIT_RESETP36/555时基芯片工作控制信号UNSIGNEDINTT_FLAG,N,C,I,DIS1,DIS0UNSIGNEDINTB60X13,0X0D,0X00,0X00,0X25,0X16/显示C00UF/延时1MS/VOIDDELAY1MSUNSIGNEDINTMMUNSIGNEDINTIFORMMMM0MMFORI100I0I/检查忙否/VOIDCHECKSTATESUNSIGNEDCHARDATRS0RW1DOEN1/下降沿_NOP_/保持一定间隔_NOP_DATDATA_NOP_NOP_EN0WHILEDAT/LCD写命令函数/VOIDWCOMDUNSIGNEDCHARCMDCHECKSTATESRS0RW0DATACMDEN1_NOP_NOP_NOP_NOP_EN0/LCD写数据函数/VOIDWDATAUNSIGNEDCHARDATCHECKSTATESRS1RW0DATADATEN1_N