应用单片机设计数字电容表课程设计说明书

1、目录1、课程设计目的.2 2、课程设计内容和要求.2 3、 设计方案.23.1设计思路2 一：单片机原理.2 二：555电路的结构组成和工作原理33.2工作原理及硬件框图43.3硬件电路原理图.53.4、pcb版图设计 84、课程设计总结85、参考文献101、课程设计目的：（1）掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；（2）学习简单电路系统设计，掌握protel99的使用方法；（3）掌握逻辑电路、at89c2051及555定时器的应用。（4）学习掌握硬件电路设计的全过程。2、课程设计内容和要求：（1）学习掌握at89c2051及555定时器的工作原理及应用；（2）熟练掌握应用prote

2、l99设计原理图及制作pcb图的过程；（3）整理设计内容，编写设计说明书。 3、 设计方案：3.1、设计思路一：单片机原理用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单、调试也相对方便。该系统以at89c2051单片机为核心，系统框图如图1所示。at89c2051是atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含2 kb可反复擦写的只读程序存储器(eprom)和128 b的随机数据存储器。器件采用atmei公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元。at89c2051作为at89c

3、51的简化版虽然去掉了p0，p2等端口，使io口减少了，但是却增加了一个电压比较器，因此其功能在某些方面反而有所增强。引脚图如图2所示。二：555电路的结构组成和工作原理(1) 电路组成及其引脚(2)555的工作原理它含有两个电压比较器，一个基本rs触发器，一个放电开关t，比较器的参考电压由三只5k的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器c1同相比较端和低电平比较器c2的反相输入端的参考电平为和。c1和c2的输出端控制rs触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出

4、高电平，同时放电，开关管截止。 是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接。 vco是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器a1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 t为放电管，当t导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路.(3)555电路的引脚功能触发阈值复位is放电端输出>h导通lh原状态×h截止h××l导通l3.2、工作原理及硬件框图该数字电容表以电容器的充电规律作为测量依据，测试

5、原理见图3。电源电压e+经电阻r给被测电容cx充电，cx两端原电压随充电时间的增加而上升。当充电时间t等于rc时间常数时，cx两端电压约为电源电压的632，即0632e+。数字电容表就是以该电压作为测试基准电压，测量电容器充电达到该电压的时间，便能知道电容器的容量。例如，设电阻r的阻值为1 k，cx两端电压上升到0632e+所需的时间为1 ms，那么由公式=rc可知cx的容量为1微法。具体测量电路如图4所示。图3图4图4中，a为at89c2051内部构造的电压比较器，at89c2051的p10和p11口除了作为io口外，还有一个功能是作为电压比较器的输入端，p10为同相输入端，p11为反相输入

6、端，电压比较器的比较结果存入p36口对应的寄存器。电压比较器的基准电压设定为0632e+，在cx两端电压从0升到0632e+的过程中，p36口输出为0，当电池电压cx两端电压一旦超过0632e+时，p36口输出变为1。以p36口的输出电平为依据，用at89c2051内部的定时器t0对充电时间进行计数，再将计数结果显示出来即得出测量结果。  3.3、硬件电路原理图整机电路见图5。电路由单片机电路、电容充电测量电路和数码显示电路等部分组成。用 555电 路组成单稳电路。当在它的第2脚加上一个负脉冲时，在它的输出端第3脚输出高电平 。设5 55 电 路输出高电平的时间为td。从(

7、1)式可以求出td的大小与电容和电阻的数值有关，当td和电阻已知时，就可以用(1)式计算出c的数值。td=1.1rc(1)c=td/1.1r(2)在本 仪 器 中，电阻是已知的，只要测量出555电容的容量.可见，对电容的测量实际上是对555输出高电平的时间，然后利用(2)式就可以计算出待测输出高电平的时间的测量。图5 电路原理图at89c2051内部的电压比较器和电阻r2-r7等组成测量电路，其中r2-r5为量程电阻，由波段开关s1选择使用，电压比较器的基准电压由5v电源电压经r6、rp1、r7分压后得到，调节rp1可调整基准电压。当p1.2口在程序的控制下输出高电平时，电容cx即开始充电。量

8、程电阻r2-r5每档以10倍递减，故每档显示读数以10倍递增。由于单片机内部p1.2口的上拉电阻经实测约为200k，其输出电平不能作为充电电压用，用r5兼作其上拉电阻，由于其他三个充电电阻和r5是串联关系，因此r2，r3，r4应由标准值减去1 k，分别为999 k，99 k，9 k。由于999 k和1 m相对误差较小，所以r2还是取1 m。    数码管ds1ds4、电阻r8r14等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，用软件对字形码译码。p30p35，p37口作数码显示七段笔划字形码的输出，p1.3p16口作四个数码管的动态扫描位驱动码输出。在此采用了共

9、阴数码管，由于at89c2051的p13p16口有25 ma的下拉电流能力，所以不用三极管就能驱动数码管。r8r14为p30p35，p37口的上拉电阻，用以驱动数码管的各字段，当p3的某一端口输出低电平时其对应的字段笔划不点亮，而当其输出高电平时，则对应的上拉电阻即能点亮相应的字段笔划。当接 通 电 源以后，+5v .电源要给c3充电，c3两端电压逐渐增加，当c3两端电压为+5v时，充电结束，充电电流为0. 1脚电压为0，单片机退出复位状态，进入正常工作.按钮 开 关 k:是手动复位键，当按下k1时，1脚为高电平，单片机进入复位状态，当放下k1时，1脚又为低电平，单片机退出复位.at 89 c

10、2 051内部有振荡电路，但需要在外部的4脚与5脚之间接一个晶体在本仪器中采用6m h:的晶体，c:和c:为微调电容.at 89 c2 051内部有2个可编程控制的16位定时/计数器，它们可以计时又可以计数.在本仪器中是用来计时.定时/计数器的核心是一个加法计数器，其输入的计数脉冲有两个来源，一个是来自内部，即内部振荡器经12分频后输入加1计数器，另外一个是来自外部脉冲.定时/计数器对两个脉冲源中的一个进行计数，每输入一个脉冲，计数值加1，当计数器16位全部为1时，再输入一个脉冲，计数器回零，并使溢出位tfo置1，向cpu申请中断.定时 / 计 数器是定时还是计数，由c/了位来决定.当c/t=

11、0，为定时.当c/t二1为计数，在本仪器中是采用定时(计时)，所lj c/t=4.当定 时 /计数器用于定时(计时)时，每经过一个机器周期，定时/计数器内部的计数器加1，直到溢出.由此，定时/计数器实际上是对机器周期进行计数，由于一个机器周期包含12个振荡周期，所以定时/计数器的最高计数频率为振荡频率的1/12.在本 仪 器 中，晶体为12m hz，一个机器周期为2us，也就是说定时/计数器每增加一个数，即增加2us.ga te 为 门控信号，c为定时/计数器的控制信号.当c=1时，定时/计数器的内部加1，计数器可以计数，当c=0时，则不能计数.3.4、pcb版图设计印刷电路板图见图6图6 p

12、cb版图4、课程设计总结： 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展，最重要的是对protel99se软件和ewb软件的使用有了更深入的了解。本数字电容器是由at89c2051及555定时器两个主要元器件设计的，at89c2051是一个单片机，之前我们没学过单片机后来，看了题目有点摸不透头脑的感觉，后来通过上网、查书才对它的功能有所了解问题才逐步得到解决。这种课程设计实验不仅锻炼我们动手动脑的能力，而且大大提高了我们对未知识探索的积极性，让我们对获取知识充满了极大欲望。希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些