基于单片机的电容测试仪.doc

西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 基于单片机的电容测试仪基于单片机的电容测试仪 摘摘 要要 提出了一个电容测量解决方案 采用 NE555 与被测电容构成多谐振荡器 单片机控制多谐振荡器起振信号 采用单片机外部中断和定时器判断多谐振荡器输 出一个完整方波的时间 再根据多谐振荡器匹配电阻计算得到被测电容电容值并送 入液晶显示 关键词 关键词 电容测试仪 单片机 LCD1602 AT89C51 Abstract This paper puts forward a capacitance measurement solutions using NE555 and measured capacitance constitute multivibrator single chip microcomputer control multivi brator on vibration signal USES the monolithic external interrupt and timer judgment ltivi brator output a complete square wave time again according to the multivibrator matching resistance calculation get measured capacitance capacitance value and into the liquid crys tal display Keywords capacitance measurement solutions microcomputer LCD1602 AT89C51 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 页 目录目录 1 前言前言 1 2 2 整体方案设计整体方案设计 2 2 1 方案论证 2 2 2 方案比较 3 3 单元模块设计单元模块设计 4 3 1 多谐振荡器模块 4 3 2 单片机模块 5 3 3 显示模块 6 3 4 电源模块 6 4 4 软件设计软件设计 7 5 5 系统技术指标及精度和误差分析系统技术指标及精度和误差分析 8 6 6 结论结论 9 7 7 设计小结设计小结 10 8 8 参考文献参考文献 11 附录附录 1 1 电路总图 电路总图 12 附录附录 2 2 软件代码 软件代码 13 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 0 页 1 前言前言 电容 是指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 储存的电荷量则称为电容 因电容是电子设备中大量使用的电 子元件之一 所以广泛应用于隔直 耦合 旁路 滤波 调谐回路 能量转换 控制电路等 方面 电容按结构划分主要有二种 一是固定电容 二是可变电容 按电介质划分主要有 有机介质电容器 无机介质电容器 电解电容等 按材料分为陶瓷电容 用于高频的云母电 容 涤沦电容 用于中低频 金属膜电容 用于低频 电解电容是固定电容 一般体积比较 大 用在低频滤波电路中 它有正负极之分使用时不能接反 否则会发生漏液或爆炸 电子 制作中需要用到各种各样的电容器 它们在电路中分别起着不同的作用 与电阻器相似 通常简称其为电容 用字母 C 表示 顾名思义 电容器就是 储存电荷的容器 尽管 电容器品种繁多 但它们的基本结构和原理是相同的 两片相距很近的金属中间被某物 质 固体 气体或液体 所隔开 就构成了电容器 两片金属称为极板 中间的物质叫 做介质 电容器也分为容量固定的与容量可变的 但常见的是固定容量的电容 最多见 的是电解电容和瓷片电容 电容值的测量对于硬件设计显得非常重要 硬件计算所得电 容值与我们选择电容时见到电容的标称值存在着差距 因为电容的制作工艺不同 不能 保证电容的实际值和标称值完全一样 这样给我们使用带来很多麻烦 特别是在高频电 子中 电容值的微小变化都肯能引起结果的极大不精确 由此测量电容值的意义可见一 斑 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 1 页 2 2 整体方案设计整体方案设计 本设计的整体思路是 利用 NE555 时基集成电路与被测电容构成多谐振荡器 通过单 片机对多谐振荡器输出计数得到电容值与多谐振荡器输出方波周期之前的关系 从而通过判 断方波周期得到被测电容的电容值 并通过 LCD12864 显示出来 2 12 1 方案论证方案论证 设计中采用了两个方案 具体的方案见方案一和方案二 方案一 电容放电时间方案 这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性 放电常数 通过测量与被测电 RC 容相关电路的充放电时间来确定电容值 用 NE555 芯片组成的单稳态触发器 在秒脉冲的作 用下产生触发脉冲 根据电容值不同 其脉冲高电平持续时间不同我们可以通过单机对其放 电高电平时间计时 得到电容放电时间与高电平计时之间的关系 从而用高电平续时间反推 出电容值 这种方案原理框图如下 单片机被测电容 NE555LCD12864显示 电源 秒脉冲 图 2 1 电容放电时间方案框图 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 2 页 方案二 单片机计数方案 本方案的设计思路是利用 NE555 时基集成电路与被测电容构成多谐振荡器 通过单片 机对多谐振荡器输出计数得到电容值与多谐振荡器输出方波周期之前的关系 从而通过判断 方波周期得到被测电容的电容值 并通过 LCD1602 显示出来 单片机 被测电容 NE555 多谐振荡器 LCD12864显示 电源 图 2 2 单片机计数方案框图 2 22 2 方案比较方案比较 由于方案一采用计时高电平方法与方案二采用计数方法相比 方案一产生的误差较大 且对 pF 级别的电容测量存在很大困难 而方案二能容许电容值很小故方案二精度更高 实 用范围更广 本次设计选择方案二 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 3 页 3 单元模块设计单元模块设计 本次设计系统由多谐振荡模块 单片机模块 和显示模块组成 其中多谐振荡器由 NE555 和被测电容构成 单片机模块由 51 单片机及其外围电路组成 显示模块有 LCD12864 组成 3 13 1 多谐振荡器模块多谐振荡器模块 该模块由 NE555 构成多谐振荡器 其中 R1 取 100 欧姆 R2 取 20 欧姆 C2 为被测电容 如下图所示 GND 1 TK 2 OUT 3 R 4 C L 5 TR 6 TC 7 VCC 8 IC 1 NE555 C X 10 C 2 103 GND VC C 20 R 2 100 R 1 OUT 图 3 1 NE555 构成的多谐振荡器 NE555 Timer IC 为 8 脚时基集成电路 大约在 1971 年由 Signetics Corporation 发布 在当时是唯一非常快速且商业化的 Timer IC 在往后的 30 年中非常普遍被使用 且 延伸出许多的应用电路 后来基于 CMOS 技术版本的 Timer IC 如 MOTOROLA 的 MC1455 已被大 量的使用 但原规格的 NE555 依然正常的在市场上供应 尽管新版 IC 在功能上有部份的改 善 但其脚位劲能并没变化 所以到目前都可直接的代用 NE555 是属于 555 系列的计时 IC 的其中的一种型号 555 系列 IC 的接脚功能及运用都是相容的 只是型号不同的因 其价格不同其稳定度 省电 可产生的振荡频率也不大相同 而555 是一个用途很广 且相当普遍的计时 IC 只需少数的电阻和电容 便可产生数位电路所需的各种不同频率 之脉波讯号 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 4 页 3 23 2 单片机模块单片机模块 单片机电路是本设计的核心部分 本设计选用了常用的 AT89C52 单片机 AT89C52 是低 功耗 高性能 经济的 8 位 CMOS 微处理器 工作频率为 0 24MHz 内置 4K 字节可编程只 读闪存 128x8 位的内部 RAM 16 位可编程 I O 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 S 1 KEY4 X1 12M C 1 30pf C 2 30pf R 1 10k GND VC C GND EA VP 31 X1 19 X2 18 R ES ET 9 P3 7 R D 17 P3 6 W R 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PS EN 29 ALE P 30 P3 1 TXD 11 P3 0 R XD 10 GND 20 VCC 40 IC 1 S TC 89C 5X c3 10uf GND 20 VC C E R W R S OUT 图 3 2 单片机模块电路图 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 5 页 3 33 3 显示模块显示模块 显示模块由 LCD1602 组成 本设计使用的是 2 行 16 个字的 1602 液晶模块作为测量值显 示部分 其中字符型液晶模块是一种用 5x7 点阵图形来显示字符的液晶显示器 根据示的容 量可以分为 1 行 16 个字 2 行 16 个字 2 行 20 个字等等 GND 0 Vss 1 Vdd 2 Vadj 3 RS 4 R W 5 E 6 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 LED 15 LED 16 LC DLC D1602 VC C GND VC C GND RS RW E 图 3 3 显示模块电路图 3 43 4 电源模块电源模块 电源模块由三端集成稳压器 LM7805 构成 该芯片的输入电压为 5 12V 输出为标准 5V 输入端加 100uF 大电容 滤除剑锋脉冲 加 10uF 小电容平稳输入电压 输出端同理再 次滤波 使输出电压稳定平滑供整个系统使用 其原理图如下 in 1 2 out 3 7805 100uF C 01 10uF C 02 10uF C 03 1uF C 04 GND VC C 1 2 POW ER input C ON2 图 3 4 电源模块电路图 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 6 页 4 4 软件设计软件设计 1 主程序设计 配置单片机定时器 0 为计数模式 TH0 TL0 初值均为 0 x00 外部中 断 0 与多谐振荡器的脉冲输出端相连 NE555 的参考电压引脚 4 与单片机 IO 口相连 系 统上电后单片机给 NE555 参考电压引脚拉高 NE555 开始震荡 同时外部中断接收多谐振 荡器输出 当中断触发两次即表示计时一个周期 同时将多谐振荡器参考电压拉低 多谐振 荡器停止震荡 取出定时器 0 中的值即得到一个周期的时间 再计算电容 完成显示 2 电容值计算程序设置 多谐振荡器震荡频率与电阻电容的关系为 f 1 43 C R1 2R2 其中 f 的单位是赫兹 电阻单位是欧姆 电容单位是法拉 单片机晶 振为 12M 所以单片机机器周期为 1us 计数器里面的值以 us 为单位 为了统一单位我将所 以单位以 ms 为标准 作用计数器值应乘以 1000 得到的电容值就是以 uf 为单位 而不再 是法拉 3 显示程序 计算得到的电容值 是一个浮点数对于整数部分采用求余数和求商的方 法得到百位 十位和个位 对于小数部分 因为浮点数不允许进行求余数操作 所以我将这 个数强制转化为 int 形 再乘以 10 再求余数得到十分位 同理乘以 100 得到百分位 再讲 每一位数送入液晶显示 程序整体设计图 开始 初始化 外部中断标志 T flag 1 开始计时 触发中断 T flag T flag 外部中断标志 T flag 0 停止计时 计算电容值 C 1 43T R1 2R2 显示 图 4 1 程序整体设计框图 NO YES YES 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 7 页 5 5 系统技术指标及精度和误差分析系统技术指标及精度和误差分析 本次设计采用的方式是外部中断判断多谐振荡器的单个周期 对于电容值较小 小到多 谐振荡器周期小于 1us 时 该测量仪不能准确测出电容值 对于电容值在 1uf 到 10uf 内电 容有较好的测量指标 另外电容值算法效果不理想 因为本次设计采用算法是 f 1 43 C R1 2R2 其中 1 f 为 T T 使用的的浮点数类型 单片机计算完电容值大概要 花几十个机器周期 这期间可能有外部中断的多次触发 造成标志位反复翻转 从而改变计 数器中的值 所以我在计完第一个周期后将 NE555 关掉 这样做可以减小误差 另外 计算电容值采用浮点数的方式 结果保留两位小数 在对浮点数做取余数运算时 没有采用乘以 10 的方法 而是采用强制转换为整形的方式 节约程序执行时间 提高了程 序效率 但是这样的缺点是会产生一定误差 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 8 页 6 6 结论结论 本次设计单片机测量电容采用单片机外部中断采 NE555 与被测电容组成的多谐振荡器 输出脉冲周期的方式 我一开始的思路是将定时器 0 设置为定时 50ms 模式 将定时器 1 设 置为计数模式 当定时器 0 定时时间到时 读取定时器 1 中的值 那么定时器 1 中的值减去 1 即为 50ms 内多谐振荡器的周期个数 再把这个值取出来求电容 但是后来发现 如果多 谐振荡器的输出周期较长 或者过短采回来的值就不具备计算意义 因为周期过长比如电容 值为 100uf 101uf 才回来的值几乎不变 周期过小 则计数器溢出 这样给计算带来很 多难题 后来想到只采一个周期 才有了上面的方案 采用该方案基本上满足了电容值为 1uf 到 10uf 内电容的测量 通过改变匹配电阻 R1 R2 能达到其他量程电容的测量 本次设 计没有过多考虑 希望以后有机会将此功能完善 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 9 页 7 7 设计小结设计小结 本次设计的小量程电容测试仪能够有效的测量电容值为1uf 到 10uf 的电容 为实 际应用中提供了电容选择的依据 更重要的是通过本次课程设计我明白了仪器的设计流 程和设计指标 了解了由 NE555 构成的多谐振荡器电路工作原理 以及调节其方波输出 周期的方法 了解了单片机及其外围电路设计 理解了51 单片机定时器以及外部中断 的使用 电容值的测量对于硬件设计显得非常重要 硬件计算所得电容值与我们选择电 容时见到电容的标称值存在着差距 因为电容的制作工艺不同 不能保证电容的实际值 和标称值完全一样 这样给我们使用带来很多麻烦 特别是在高频电子中 电容值的微 小变化都肯能引起结果的极大不精确 通过本次设计 我明白电容值的测量方法 更体 会到电容值的确定关系到整个电子线路的可靠性 使我在以后的学习应用中增加了一定 设计经验 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 10 页 8 8 参考文献参考文献 1 谭浩强 C 程序设计 第三版 M 北京 清华大学出版社 2005 2 胡汉才 单片机原理及其接口技术 M 北京 清华大学出版社 2004 3 蔡美琴 张为民 MCS 51 系列单片机系统及其应用 第二版 M 北京 高等教育出版社 2004 4 杨振江 杜铁军 流行单片机实用子程序及应用实例 M 西安电子科技大学出版社 2002 5 张培仁 基于 C 语言编程 MCS 51 单片机原理与应用 M 北京 清华大学出版社 2003 6 郭天翔 51 单片机 C 语言教程 J 北京 电子工业出版社 2006 7 张洪润 刘秀英 张亚凡等 单片机应用设计 200 例 M 北京 航空航天大学出版社 2006 8 谢自美 电子线路设计 实现 测试 第二版 武汉 华中科技大学出版社 2000 9 康华光 电子技术基础模拟部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 10 康华光 电子技术基础数字部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 11 张毅刚 单片机原理及应用 北京 高等教育出版社 2003 12 燕庆明 电路分析教程 第二版 北京 高等教育出版社 2006 13 谭浩强 C 程序设计 第三版 北京 清华大学出版社 2005 14 潘新明 微型计算机控制技术 第二版 北京 电子工业出版社 2008 15 程德福 智能仪器 第二版 北京 机械工业出版社 2011 16 王军 自动控制原理 北京 机械工业出版社 2011 17 赵亮 单片机 C 语言编程与事例 北京 邮电出版社 2008 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 11 页 附录附录 1 1 电路总图 电路总图 S 1 KEY4 X1 12M C 1 30pf C 2 30pf R 1 10k GND VC C GND EA VP 31 X1 19 X2 18 R ES ET 9 P3 7 R D 17 P3 6 W R 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PS EN 29 ALE P 30 P3 1 TXD 11 P3 0 R XD 10 GND 20 VCC 40 IC 1 S TC 89C 5X c3 10uf GND 20 GND 1 TK 2 OUT 3 R 4 C L 5 TR 6 TC 7 VCC 8 IC 1 NE555 C X 10 C 2 103 GND VC C 20 R 2 100 R 1 VC C GND 0 Vss 1 Vdd 2 Vadj 3 RS 4 R W 5 E 6 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 LED 15 LED 16 LC DLC D1602 1K x 8 8R ES VC C VC C GND VC C GND RS RW E E R W R S OUT OUT in 1 2 out 3 7805 100uF C 01 10uF C 02 10uF C 03 1uF C 04 GND VC C 1 2 POW ER input C ON2 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 12 页 附录附录 2 2 软件代码 软件代码 include define uchar unsigned char define uint unsigned int define LCD Data P0 uchar Ji s 0 Ji s1 0 Ji s2 0 m4 js 0 T flag float R1 100 R2 100 欧姆 uchar code table THE CAP IS uchar code table1 uF sbit lcden P1 7 sbit lcdrs P1 5 sbit lcdrw P1 6 sbit reset P1 4 sbit start P2 7 uchar jishu 0 void delay void uint y for y 5552 y 0 y void write com uchar com lcdrs 0 lcdrw 0 P0 com delay lcden 1 delay lcden 0 void write data uchar date lcdrs 1 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 13 页 lcdrw 0 P0 date delay lcden 1 delay lcden 0 void init uchar num num1 lcden 0 write com 0 x38 显示模式设置 write com 0 x0e D 1 开显示 C 1 显示光标 write com 0 x06 N 1 读或写一个字符后地址指针加一且光标加一 write com 0 x01 清屏 write com