数字式电容位移传感器的研究与设计毕业论文

1、数字式电容位移传感器的研究与设计毕业论文 毕 业 论 文论文题目:数字式电容位移传感器的研究与设计学 院:年 级:专 业:姓 名:学 号:指导教师: 摘 要 由于具有结构简单、动态特性好、能实现非接触式测量等优点,电容位移传感器广泛应用于超精密加工、高精度定位、超精密测量等领域。现有电容位移传感器普遍采用测头与测量电路分立式设计,信号传输电缆的寄生电容等分布参数对传感器的分辨力、稳定性等性能影响显著,因此信号传输距离受到严重限制。如何保证电容模拟信号传输的稳定性以及减少漂移,就成了影响电容传感器性能的关键。为了完成对电容量的测量,本文设计了一个脉冲宽度调制电路, 将电容量的变化转化为不同宽度的

2、脉冲,然后用单片机的定时器功能检测出来并通过数码管显示出来。再运用PROTEL99 SE将设计的电路制成电路板。 关键字 电容;传感器;数字式;脉冲宽度调制;Protel99 SEAbstract With the advantages of simple structure,dynamic characteristics and non-contact measurement,capacitance displacement sensor has been widely used in thedomains of precision machining,high precision orie

3、ntation and ultra precisionmeasurement.The measuring circuit of capacitance displacement sensor is commonlyset out of the probe.So the parasitic capacitance of the cable influences theresolution and stability of the sensor.The signal transmission distance is severelyrestricted.Thereby how to ensure

4、the stability of analog signals transmission andhow to reduce the zero drift,has become the key which influences the performanceof the capacitance sensor.To complete the measurement of electrical capacity, the paper designs a pulse width modulation circuit that changes the capacitance into a differe

5、nt pulse width which can be detected by MCU timer functions and displayed through digital tube. Then using PROTEL 99SE makes the design of the printed circuit board Keywords Capacitance;sensor;Digital;Pulse width modulation;Protel99 SE目录摘 要IAbstractII前 言1第 1 章 数字式电容式位移测量仪的原理介绍21.1电容传感器的原理21.1.1变极距型电

6、容传感器31.1.2变面积型电容传感器41.1.3电容式角位移传感器41.1.4变介电常数型电容式传感器51.2电容位移传感器测量方法比照61.2.1 运算放大器式电路71.2.2 差动脉冲调宽电路81.2.3调频电路101.2.4二极管双T型电路101.2.5 AC桥路式测量电路11121.3.1电容传感器的特点121.3.2电容式传感器的开展方向14第2 章 数字式电容式位移测量仪的电路设计152.1测量电路的设计152.1.1单片机最小系统152.1.2 stc89c51引脚功能介绍162.1.3电平转换电路182.1.4按键及电源接口电路的设计192.2电容传感器的电路设计202.2.

7、1检测电路的设计202.2.2 555定时器的介绍232.3显示电路的设计242.3.1 CD4511介绍252.4单片机软件设计26第三章PROTEL 99SE制作电路板303.1 PROTEL99 SE303.1.1 PROTEL99 SE简介303.1.2 Protel99 SE软件的一些使用方法303.1.3 PROTEL 99 SE软件的开展323.1.4 PROTEL99 SE软件特色323.2实际操作生成原理图333.2.1 新建原理图设计文件333.2.2 ERC 检测及元件清单生成343.3制作PCB 图353.3.1生成网络表353.3.2 网络表与元件的装入363.4 实

8、际电路调试38结 论39参考文献40致 谢42前 言 位移传感器又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电式位移传感器,位移传感器超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件,接通电源后,在开关的感应面将产生一个交变磁场,当金属物体接近此感应面时,金属中那么产生涡流而吸取了振荡器的能量,使振荡器输出幅度线性衰减,然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量,位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测,大的位移常用感应同步器

9、、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可到达纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点,在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器,能将被测物理量位移、压力等的变化转换成电容量变化的元件,通过检测电路再把电容量的变化换成电信号电压、电流或频率。它与其他传感器相比,具有一系列突出的优点:结构特别简单,能实现无接触测量。采用适宜的检测电路,可以做到灵敏度高、分辨力强、能分辨微小的位移。由于电容传感器只需输入极小的功率,而且在移动过程中没有摩擦和几乎没有相互作用力

10、,因而特别适用于地震仪器。当然电容式传感器有它的缺点:容易受外界干扰和分布参数的影响。随着电子技术的飞快开展,克服了电容式传感器中所存在的一些技术问题,获得了广泛的应用。近几年来,在地震仪器上也开始了应用电容式传感器。电容位移传感器还具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外,还具有信噪比大,灵敏度高,零漂小,频响宽,非线性小,精度稳定性好,抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。在国内研究所,高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用,成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。 数字式电容式位移传感器广泛应用于高精度的精密加工、高精度定位及高速高精度、大行程机器人的运行定位中以及石

11、油、化工、电力、储运、建筑等工业生产领域,尤其能在强光照射、核辐射条件、过载冲击震动等恶劣环境下工作。数字式电容位移传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点。在众多的测量仪器当中,非接触式测量仪器由于其自身的优点,成为微位移测量领域的主流研究方向之一。目前用于微位移测量的传感器主要有数字式电容传感器、数字式电感传感器和新兴的光纤式传感器,这三类传感器各有优缺点,适用于不同的测量场合,在高精度微位移测量中,数字式电容传感器以其自身的优点得到广泛应用。与其他两种传感器相比拟

12、,其具有如下优点:结构简单,适应性强 。动态响应好。可得到较大的相对变化量。温度稳定性好。可以实现非接触测量。由于数字式电容位移传感器的这些良好性能,世界上很多著名的研究所和测量仪器公司不断创新推出各种机械的、电路的以及软件的方法,经过近几十年的技术更新,数字式电容位移传感器的开展以高精度、智能化、便携化和模块化为开展趋势和主流研究方向。目前,数字式电容位移传感器作为一种测量微小位移的精密测量仪器,已经在全世界范围内被广泛地使用。第 1 章 数字式电容式位移测量仪的原理介绍 传感器的应用方面可用来测量直线位移、角位移、振动振幅,尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量;还可用

13、来测量压力、压差、液位、料面、成分含量如油、粮食中的含水量、非金属材料的涂层、油膜等的厚度,测量电介质的湿度、密度、厚度等等,在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点,因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等检测领域。 1.1电容传感器的原理 电容器是一个既能充电又能放电的电子元件,电容器的根本结构由两只金属极板或圆筒中间隔以绝缘体组成。电容传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下,电容是由两

14、个金属平行板组成并以空气为介质,如式(1-1)所示。在不计边缘效应的情况下,平行板式电容器的电容为 (1-1) 式中 c?电容量; ?电容极板间介质的介电常数; A?两平行板正对的面积; d?两极板之间的距离。 当被测参数使得式(1-1)中的、A 或d 发生变化时,电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化。 图1-1为此传感器的原理图。设初始电容量为: (1-2) 假设电容动极板因被测量变化而向上移动时,那么极板间距变为,电容量为: (1-3)图1-1 极板移动前后电容的变化量为 : (1-4) 上式说明?C-?d之间不是线性关系。

15、 C-d的关系为非线性,其特性曲线如图1-2所示。 但当?dd0时,可以认为?C-?d的关系为线性的: (1-5)图1-2 那么其灵敏度K为: (1-6) 故变极距型电容传感器只在?d/d0很小时,才有近似线性输出。其灵敏度与初始极距的平方成反比,故可通过减小初始极距来提高灵敏度。 当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时,其电容变化量化为 图1-3 变面积型电容传感器 (1-7) C与x间呈线性关系 1.1.3电容式角位移传感器 当0时 (1-8)图1-4 电容式角位移传感器 当0时 1-9 传感器电容量C与角位移间呈线性关系 初始电容 1-10 电容与液位的关系为: 1-11图1-5 电容式

16、液位传感器 如图1-5电容式液位传感器 1-12 当L0时,传感器的初始电容 1-13 当被测电介质进入极板间L深度后,引起电容相对变化量为 1-14 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 电容位移传感器将被测的非电量转换成电容的变化量后,必须采用测量电路将其转换成可以应用的电量,如电压、电流及频率信号等,这种测量转换和处理的方法有很多。目前广泛使用的测量方法有:运算放大器式法、差动脉冲调宽法、调频法和调幅法。 1.2.1 运算放大器式电路 最大特点:能克服变极距型电容传感器的非线性图1-6 运算放大器式电路 Cx是传感器电容 C是固定电容 u0是输出电压信号 由运算放大器工作原理可知 1-1

17、5 1-16 1-17 结论:从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性,假设放大器开环放大倍数A,输入阻抗Zi,因此仍然存在一定的非线性误差,但一般A和Zi足够大,所以这种误差很小。 1.2.2 差动脉冲调宽电路图1-7 差动脉冲调宽电路 (1).当C1C2时,如图1-8a,那么T1T2,UAB为等宽波。输出平均电压UAB0 (2).当C1C2时,假设C1C2,那么充放电时间常数T1T2。如图1-8b,UAB为不等宽矩形波,平均输出电压UAB0,经低通滤波后,可输出直流电压。 图1-8 波形图 ,分别为A,B点平均电压 比拟器输出高电位压 阻容充放电过程为: 当R1R2R时,式代入中有: 1-

18、18 即差动电容C变化,使充放电时间不同,从而使双稳态输出方波脉冲宽度不同,因此A,B两点输出直流电压U0也不同。 假设用平板电容:CA/d做成间隙式 那么 当 1-19 对于差动脉冲调宽电路,不管是改变平板电容器的极板面积或是极板距离,其变化量与输出量都成线性关系。除此之外,调宽线路还具有如下一些特点: (1)不像调幅线路那样,需对元件提出线性要求; (2)效率高,信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出; (3)不需要解调器; (4)由于低通滤波器作用,对输出矩形波纯度要求不高。 图1-9 调频电路 1-20 当被测信号为零时,C0,振荡器有一个固有振荡频率f0, 1-21 当被测信号不为

19、零时,C0,此时频率为f, 1-22m级位移变化量易于用数字仪器测量,并与计算机通讯,抗干扰能力强。图1-10 双极管双T型电路 电源为正半周 VD1短路 VD2开路, 电容C1被充电 影响不予考虑, 电容C2的电压 供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50%的方波 可直接得到电容C2的电流iC2如下: 1-23 在R+RRL/R+RLC2T/2时,电流iC2的平均值IC2可以写成 1-24 同理,可得负半周时电容C1的平均电流IC1为 1-25 故在负载RL上产生的电压为 (1-26) 1.2.5 AC桥路式测量电路 其检测电路主要有普通交流电桥法、感应分压器电桥法和双T二极

20、管电桥法三种形式。其工作原理是,将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂,另两个臂可以是电阻、电容或电感,也可以是变压器的两个二次线圈。极板间隙的变化会使电桥失衡,通过不平衡输出电压的幅值与被测变化量有关。 该电路的优点:不同的电桥形式,具有不同的特点,如紧耦合电感臂电桥电路具有较高的稳定性和灵敏度,适用于高频工作;变压器电桥电路使用元件很少,桥路内阻小,使用广泛。 该电路的缺点:由于电桥输出的是调幅波,所以要求电源电压的波动要非常小,需对电源采用稳幅、稳频的措施;传感器必须工作在平衡位置附近,否那么电桥非线性增大,且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥,增加了电路

21、设计的难度;其输出阻抗高达几M至几十M,必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路,电路十分复杂。 通过对电容位移传感器的各种测量电路进行了分析,发现电容位移传感器性能的好坏关键在于测量转换电路的设计。而目前不管是哪一种类型的电容位移传感器,其都存在着抗干扰性差、漂移明显的问题,而这两个问题也成为制约电容传感器开展的瓶颈。分析其原因,一方面整个测量电路中,分立阻容元件非常多、集成度低,电路特性受到诸多参数的影响,因此很难保证较高的稳定性;用到了大量的放大器、模拟滤波器等产生零点漂移的元器件,导致工作过程中漂移现象明显。另一方面,传统电容位移传感器由于测量电路庞大复杂,普遍采用与测头分立式设计,被

22、测模拟量从测头输出要经过电缆传输给测量电路进行处理,模拟量在这一段传输过程中,又引入了电缆电容,该电容值高达上百pF,并与传感器电容并联,降低了传感器灵敏度,电缆摆放位置和其形状变化都将引起电缆电容发生变化,使得传感器工作不稳定。 电容式传感器的优点: (1)温度稳定性好 传感器的电容值一般与电极材料无关,仅取决于电极的几何尺寸,且空气等介质损耗很小,只要从强度、温度系数等机械特性考虑,合理选择材料和几何尺寸其他因素因本身发热极小 影响甚微。 (2)结构简单,适应性强 电容式传感器结构简单,易于制造。能在上下温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作,适应能力强,尤其可以承受很大的温度变化,

23、在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作,能测超高压和低压差,也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小,以便实现某些特殊要求的测量。 电容式传感器由于极板间的静电引力很小,(约1-5N),需要的作用能量极小,又由于它的可动局部可以做得很小很薄,即质量很轻,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几MHz的频率下工作,特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电,因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数,如测量振动、瞬时压力等。 4.可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有

24、平均效应,可以减小工件外表粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外,还因带电极板间的静电引力极小,因此所需输入能量极小,所以特别适宜低能量输入的测量,例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力非常高。 电容式传感器的缺点 : 1输出阻抗高,负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百pF,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽措施,从而给设计和使用带来不便。 容抗大还要求传感器绝缘局部的电阻值极高(几

25、十M以上),否那么绝缘局部将作为旁路电阻而影响传感器的性能(如灵敏度降低),为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。 高频供电虽然可降低传感器输出阻抗,但放大、传输远比低频时复杂,且寄生电容影响加大,难以保证工作稳定。 2寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小,而其引线电缆电容l2m导线可达800pF、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容却较大。“寄生电容 降低了传感器的灵敏度,且是随机变化的,使传感器的工作不稳定,影响测量精度,其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量,致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求。 3输出特性非线性 变

26、极距型电容传感器的输出特性是非线性的,虽可采用差动结构来改善,但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时,输出特性才呈线性。否那么边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加,使输出特性非线性。 电容式传感器的开展方向就是一方面加强电容式传感器变换电路的集成度,为了克服寄生电容的影响,尽量将电路和传感器连接得紧密些或者干脆做成一体或采用无线接入代替传统的电缆传输;为克服电容器挂料问题,采用射频导纳加以改良。另一方面充分开发测量系统的智能化,所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能,故

27、可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比拟分析、并能够对实际物位的电容量变化进行实时监控、自动校正;从而有效地解决了以往受寄生电容影响、导致电容式传感器准确性、稳定性、及可靠性差的技术难题,提高系统的准确性、可靠性。第2 章 数字式电容式位移测量仪的电路设计 为了准确地检测到电容的变化量,同时能方便地将检测到得信号传给后级电路。可以采用脉冲宽度调制电路来进行测量。它可以将电容量转化为不同宽度的脉冲,这样直接使用单片机就可以检测并进行相关处理。 本次设计用的是STC89C51单片机。它是由组成单片机系统必要的一些元件构成的。在执行相应具体的任务时,只要在它的根底上进行电路和功能扩展就行了。

28、本次设计就是用它来把检测到的脉冲宽度检测出来,然后输出给后级电路继而通过数码管显示出来。图2-1 单片机最小系统电路 图2-2 复位电路图2-3 电源指示灯电路 2.1.2 stc89c51引脚功能介绍 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器

29、能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特

30、殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口 P3口管脚 备选功能: P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部

31、数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令

32、是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时,那么在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2

33、:来自反向振荡器的输出。 2. 232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5V单电源供电。 图2-4 电平转换电路图2-5 232芯片图 引脚介绍 第一局部是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源,提供应RS-232串口电平的需要。 第二局部是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二

34、数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三局部是供电。15脚GND、16脚VCC(+5V)。图2-6 按键接口电路图2-7 电源接口电路 检测电路的设计是为了准确检测到电容的变化,而后将检测到的信号传输给后级电路。可以采用脉冲宽度调制电路来进行测量。我们可以利用555定时器构成单稳态触发器,由多谢振荡器单元和单稳态触发器两局部组成测量电路。多谢振荡器是用来给单稳态触发器提供触发脉冲的。由单稳态触发器的

35、工作原理及特性可知,输出的脉冲信号宽度为 (2-1) 将CS/d0-?d带入上式可得 (2-2) 式中,都是量,可由单片机检测出来,所以位移可由单片机计算出来。 (1)单稳态触发器 触发翻转阶段:输入负脉冲Vi到来时,下降沿经RiCi微分环节在Vi'端产生下跳负向尖脉冲,其值低于负向阀值(1/3Vcc)。由于稳态时Vc低于正向阀值(2/3Vcc),固定时器翻转为1,输出Vo为高电平,集电极输出对地断开,此时单稳态触发器进入暂稳状态。暂态维持阶段:由于集电极开路输出端(7脚)对地断开,Vcc通过R向C充电,Vc按指数规律上升并趋向于Vcc。从暂稳态开始到Vc值到达正向阀值(2/3Vcc)

36、之前的这段时间就是暂态维持时间tpo 。返回恢复阶段:当C充电使Vc值高于正向阀值2/3Vcc)时,由于Vi'端负向尖脉冲已消失 ,Vi'值高于负向阀值(1/3Vcc),定时器翻转为0,输出低电平,集电极输出端(7脚)对地导通,暂态阶段结束。C通过7脚放电,使Vc值低于正向阀值(2/3Vcc),使单稳态触发器恢复稳态。图2-8 555单稳态触发电路 图2-9 单稳态触发电路及其波形 (2)多谐振荡器 多谐振荡器又称为无稳态触发器,它没有稳定的输出状态,只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后,经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐

37、振荡器可用作方波发生器。 接通电源后,假定是高电平,那么T截止,电容C充电。充电回路是VCC?R1?R2?C?地,按指数规律上升,当上升到时(TH、端电平大于),输出翻转为低电平。是低电平,T导通,C放电,放电回路为C?R2?T?地,按指数规律下降,当下降到时(TH、端电平小于),输出翻转为高电平,放电管T截止,电容再次充电,如此周而复始,产生振荡,经分析可得输出高电平时间、输出低电平时间、振荡周期、输出方波的占空比。图2-10 555多谐振荡电路图2-11 振荡电路波形 2.2.2 555定时器的介绍 555定时器本钱低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器

38、及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2-12所示。它内部包括两个电压比拟器,三个等值串联电阻,一个 RS 触发器,一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。 555 定时器的功能主要由两个比拟器决定。两个比拟器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压,当 5 脚悬空时,那么电压比拟器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3,C2 的反相输入端的电压为VCC /3。假设触发输入端 TR 的电压小于VCC /

39、3,那么比拟器 C2 的输出为 0,可使 RS 触发器置 1,使输出端 OUT1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3,同时 TR 端的电压大于VCC /3,那么 C1 的输出为 0,C2 的输出为 1,可将 RS 触发器置 0,使输出为 0 电平。 它的各个引脚功能如下: 1脚:外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。 2脚:低触发端 3脚:输出端Vo 4脚:是直接清零端。当端接低电平,那么时基电路不工作,此时不管、TH处于何电平,时基电路输出为“0,该端不用时应接高电平。F电容接地,以防引入干扰。 6脚:TH高触发端 7脚:放电端。该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电

40、。 8脚:外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。 图2-12 555定时器 为了得到具体检测到的数字并直观的显示出来,需要借助数码显示管来实现。使用89C51的I/O口、P0口、P2口输出结果,并且采用硬件译码方式来译码。本设计采用CD4511来实现译码等相应功能。图2-13 数码管译码电路 2.3.1 CD4511介绍 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED (数码管)显示器的 BCD 码?七段码译码器,特点:具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示

41、器。 CD4511 是一片 CMOS BCD?锁存/7 段译码/驱动器,引脚排列如图。其中a b c d 为 BCD 码输入,a为最低位。LT为灯测试端,加高电平时,显示器正常显示,加低电平时,显示器一直显示数码“8,各笔段都被点亮,以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端,低电平时使所有笔段均消隐,正常显示时, B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点,当输入数据越过十进制数91001时,显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端,高电平时锁存,低电平时传输数据。ag是 7 段输出,可驱动共阴LED数码管。另外,CD4511显示数“6时,a段消隐;显示数“9时,d段消隐,所以显示6、9

42、这两个数时,字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路,假设要多位计数,只需将计数器级联,每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的,在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取,电源电压5V时可使用300的限流电阻。图2-14 CD4511芯片 CD4511具有锁存、译码、消隐功能,通常以反相器作输出级,通常用以驱动LED。其引脚图如图。 各引脚的名称:其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D;5、4、3分别表示LE、BI、LT;13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、

43、d、e、f、g。左边的引脚表示输入,右边表示输出,还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。图2-15 CD4511管脚图 其功能介绍如下: BI:4脚是消隐输入控制端,当BI0 时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。 LT:3脚是测试输入端,当BI1,LT0 时,译码输出全为1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮,显示“8。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE:锁定控制端,当LE0时,允许译码输出。 LE1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g:

44、为译码输出端,输出为高电平1有效。 2.4单片机软件设计 单片机程序流程如下图。程序主要包括定时器、二进制数转BCD 码、延时 子程序三局部。详细代码如下: ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0040H MAIN: MOV SP,#60H MOV P0,#22H MOV P2,#22H LCALL DL1ms MOV P0,#00H MOV P2,#00H 定时器局部 TIME: MOV TMOD,#90H MOV TH1,#00H MOV TL1,#00H JNB P3.3,$ JNB P3.3,$ SETB TR1 JB P3.3,$ CLR TR1 MOV R7,TL1 M

45、OV R6,TH1 二进制数据转BCD 码 HB2: CLR A MOV R3,A MOV R4,A MOV R5,A MOV R2,#10H HB3: MOV A,R7 RLC A MOV R7,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A MOV A,R5 ADDC A,R5 DA A MOV R5,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,R3 MOV R3,A DJNZ R2,HB3 显示局部 图2-16 软件流程图 DIR: MOV A,R4 MOV P2,A MOV A,R5 MOV P0,A ACALL DL1ms

46、 LD1: JMP TIME 延时子程序 DL1ms: MOV R7,#02H DL: MOV R6,#0FFH DL6: DJNZ R6,DL6 DJNZ R7,DL RET END第三章PROTEL 99SE制作电路板 3.1 PROTEL99 SE 3.1.1 PROTEL99 SE简介 早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已开展到PROTEL99(网络上可下载到它的测试板),是个庞大的EDA软件,完

47、全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server (客户/效劳器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。在国内PROTEL软件较易买到,有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了根底。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PR

48、OTEL99的试用版,可以在INTERNET上。 3.1.2 Protel99 SE软件的一些使用方法 Protel99 SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大,人机界面友好,易学易用,仍然是大中院校电学专业必学课程,同时也是业界人士首选的电路板设计工具。 Protel 99SE 由两大局部组成:电路原理图设计(Advanced Schematic)和多层印刷电路板设计(Advanced PCB)。其中Advanced Schematic由两局部组成:电路图编辑器(Schematic)和元件库编辑器(Schematic Library)。 一、电路原理图编辑器(Schemati