基于单片机电容测量仪设计说明

1、 摘 要目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。在电子产品的生产和维修中，电容测量这一环节至关重要，因此，设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。本文提出了以MCS-51单片机为控制核心，结合多谐振荡器来实现电容测量的方法。并介绍了测量原理并给出了相应的电路与软件设计。关键词：电容测试仪；单片机；测量16 / 18目录1概述11.1 设计目的和意义11.2 设计任务与要求12 硬件电路设计与其描述12.1 设计方案1 2.2 原理框图.22.3 基于AT89C51电容测量系统硬件设计详细分析22.3.1 A

2、T89C51单片机工作电路22.3.2 基于AT89C51电容测量系统复位电路32.3.3 基于AT89C51电容测量系统时钟电路42.3.4 基于AT89C51电容测量系统按键电路42.3.5 基于AT89C51电容测量系统555芯片电路52.3.6 基于AT89C51电容测量系统显示电路62.4 各部分电路连接成整个电路图92.5 系统所用元器件102.6 PCB制图.113 软件流程与程序设计113.1 系统模块层次结构图113.2 程序设计算法设计123.3 软件设计流程13 3.4 源程序代码134 系统调试与仿真175 总结185.1 本系统存在的问题与改进措施185.2 心得体会

3、18参考文献191设计任务1.1 设计目的和意义目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。在电子产品的生产和维修中，电容测量这一环节至关重要，一个好的电子产品应具备一定规格年限的使用寿命。因此在生产这一环节中，对其产品的检测至关重要，而检测电子产品是否符合出产要求的关键在于检测其部核心的电路，电路的好坏决定了电子产品的好与坏，而电容在基本的电子产品的集成电路部分有着其不可替代的作用。同样，在维修人员在对电子产品的维修中，电路的检测是最基本的，有时需要检测电路中各个部件是否工作正常，电容器是否工作正常。因此，设计可靠，安全，

4、便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。1.2 设计任务与要求（1）采用MCS-51系列单片机以与多谐振荡器进行电容测量仪设计；（2）能测试0.10.99UF的电容，其精确度为0.01UF;（3）用2行16个字的LCD1602显示测量结果。2 基于单片机电容测量硬件设计 2.1 设计方案 本设计选择基于AT89C51单片机和555芯片构成的多谐振荡电路的电容测量方法。这种电容测量方法主要是通过一块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，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：f=0.772/（R*Cx），我们固定 R 的大小，其公式就可以写为

5、：f=k/Cx，只要我们能够测量出555芯片输出的频率，就可以计算出测量的电容。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，系统框图见图1所示。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、显示电路设计、复位电路设计。2.2原理框图图1 系统框图2.3 基于AT89C51电容测量系统硬件设计详细分析2.3.1 AT89C51单片机工作电路单片机电路是本设计的核心部分，本设计选用了常用的AT89C51单片机。AT89C51是低功耗、高性能、经济的8位CMOS微处理器，工作频率为024MHz，置4K字节可编程只读

6、闪存，128x8位的部RAM，16位可编程IO总线。AT89C51工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了。其最简单的工作原理图如图2所示。图2工作原理图2.3.2基于AT89C51电容测量系统复位电路MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。MCS-51单片机片复位，复位引脚RST通过一个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，然后才能得到部复位操作所需要的信号。本设计采用按键手动脉冲复位方式，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。复位电路如图3所示。图3复位电路 一般

7、的，单片机的复位速度比外围I/O快些。若RC上电复位电路接MCS-51单片机和外围电路复位端，则能使系统可靠地同步复位。为保证系统可靠复位，在初始化程序中应用到一定的复位延迟时间。复位电路软件程序或者硬件发生错误的时候产生一个复位信号，控制MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序，重新执行软件程序。此电路的输出端RESET接在单片机的复位引脚。2.3.3 基于AT89C51电容测量系统时钟电路时钟在单片机中非常重要，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。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系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是部时钟方式，另一种为外部

8、时钟方式。 本设计使用部时钟方式，其部时钟方式电路图如图4所示。图4部时钟方式电路图 MCS-51单片机部有一个用与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，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚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电路。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30PF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率的围通常是在1.2MHz12MHz之间。很设计中单片机选择12MHz的石英晶体。2.3.4 基于AT89C51电容测量系统按键电路按键是实现人机

9、对话的比较直观的接口，可以通过按键实现人们想让单片机做的不同的工作。键盘是一组按键的集合，键是一种常开型开关，平时按键的两个触点处于断开状态，按下键是它们闭合。图5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，输出的低电平。图5按键电路2.3.5 基于AT89C51电容测量系统555芯片电路对于555电路等效看成一个带放电开关的RS触发器，这个特殊的触发器有两个输入端：阈值端TH可看成是置零端R，要求高电平，触发端R可看成置位端低电平有效。它只有一个输出端Vo，Vo可等效为触发器的Q端。放电端DIS可看成由部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的端控

10、制：Q=1时DIS端接地；Q=0时，DIS端悬空。此外，这个触发器还有复位端MR加上低电平(0;mm-) for(i=100;i0;i-);/*检查忙否*/void Checkstates() unsigned char dat; RS=0; RW=1; doEN=1;/下降沿 _nop_();/保持一定间隔_nop_(); dat=DATA; _nop_();_nop_(); EN=0; while(dat&0x80)=1);/*LCD写命令函数*/void wcomd(unsigned char cmd) Checkstates(); RS=0; RW=0; DATA=cmd; EN=1;

11、 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*LCD写数据函数*/void wdata(unsigned char dat) Checkstates(); RS=1; RW=0; DATA=dat; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*初始化*/void LCDINIT() Delay1ms(15); wcomd(0x38);/功能设置 Delay1ms(5); wcomd(0x38);/功能设置 Delay1ms(5); wcomd(0x01);/清屏 Delay1ms(5); wcomd

12、(0x08);/关显示 Delay1ms(5); wcomd(0x0c);/开显示，不开光标 /*显示函数*/void Display(void) /显示函数 unsigned char i,j; unsigned char a12=0X4D,0X45,0X41,0X53,0X55,0X52,0X45,0X4D,0X45,0X4E,0X54,0X53; /显示measurements LCDINIT(); for(i=0;i12;i+) /写显示第一行 wcomd(0x80+i); Delay1ms(1); wdata(ai); Delay1ms(1); for(j=0;j5000) /设置最

13、长等待时间 _reset=0; /最长等待时间到还没有中断，停止555 if(N=1000) /如果计数值大于1000，显示LA，表示应换用大一点的量程 b2=0X1C; b3=0X11; b4=0X5E; b5=0X5E; b6=0X5E; b7=0X5E; if(N=100&N1000) b3=0XFE; /计算电容的大小 b4=N/100; b5=(N/10)%10; b6=0X25; b7=0X16; Display(); /显示电容的大小 void int0(void) interrupt 0 /第一次中断开始计数，第二个中断停止计数 T_flag=!T_flag; if(T_fla

14、g=1) TR0=1; /开始计时 if(T_flag=0) TR0=0; /停止计时 EX0=0; /关闭中断 _reset=0; /停止发出方波 N=TH0*256+TL0; /计算计数器的值 N=N*5/3; TH0=0x00; /恢复初值 TL0=0x00; 4 系统调试与仿真讲上面所编的C语言程序在Keil uVision3软件上、编译后，无误，并给总电路图中的单片机AT89C51加载程序进行仿真，得到仿真结果如下所示。(1)待测电容C5在0.10.99uf例如C5=0.55uf、0.99uf时，仿真结构如下图14所示。A、C5=0.55uf时仿真图 B、C5=0.99uf时仿真图图

15、14 仿真图5 总结 5.1 本系统存在的问题与改进措施本设计基于单片机AT89C51的计数器和中断配合使用来计算RC振荡电路输出的频率，设计中使R固定不变，从而推算出C的大小。由于单片机的计数器的值N=065535，为了测量的精度，N的取值一般在1005000，所以所设计的电容测量仪的量程受较小。5.2 心得体会 本次课程设计是一次非常好的将理论与实际相结合的机会，通过对电容测试仪的课题设计，锻炼了我的实际动手能力，增强了我解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计规以与电脑制图等其他专业能力水平。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测量其输出频率，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，再通过LCD1602显示出其测量值。 系统的软件部分是系统实现功能的关键，软件部分是在Keil51的平台上使用是C语言编写程序。本系统通过一个测量按键启动整个测量程序