基于单片机的电容测试仪设计-硬件设计

毕业设计（论文）专业纸毕业设计（论文）专业纸昆明理工大学津桥学院毕业设计（论文）题目：基于单片机的电容测试仪设计-硬件设计系部：计算机与电子电气工程系专业：电子信息科学与技术年级：学生姓名：xxx学号：指导教师：xx日期：教务处制基于单片机的电容测试仪系统设计——硬件设计The

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Microcomputer-HardwareDesignschool：KunMingUniversityofScienceandTechnologyInstituteofOxbridgeDepartment：ComputerandDepartmentofElectricalandElectronicEngineeringSubject：ElectronicInformationScienceandTechnology Grade：09 Name：xx StudentID：202116022218 Teacher：xx 目录摘要 IAbstract II前言 1第1章绪论 21.1课题研究的目的及意义 21.2课题选题背景 21.3课题研究内容 3第2章系统总体结构 42.1硬件设计 42.1.1主控芯片 42.1.21602液晶显示 62.1.3LM324运算放大器芯片 72.1.474LS138译码器芯片 82.2软件设计 82.2.1C简介 82.2.2KEIL简介 92.2.3PROTEUS简介 92.3系统工作原理 10第3章电路原理分析设计 123.1电路板总体结构 123.2电路板各模块功能分析 133.2.1电源电路模块分析 133.2.2串口通信电路模块分析 133.2.3液晶显示电路模块分析 143.2.4按键电路模块分析 143.2.5放电电路模块分析 153.2.6量程转换电路模块分析 153.2.7电容测量电路模块分析 16第4章原理图绘制及PCB板制作 194.1单元电路的原理图设计 194.1.1作图工具Altiumdesigner09简介 194.1.2原理图的设计流程 204.1.3器件库的制作 214.1.4元器件清单 244.2仿真及万能板电路焊接、调试 254.2.1Proteus的仿真 254.2.2NiMultisim11仿真 264.2.3焊接万能板 274.3PCB印制板设计与制作 284.3.1设置PCB设计环境 284.3.2元件布局 314.3.3布线，覆铜 334.3.4PCB板的焊接 36第5章总结 385.1设计工作总结 385.2后期展望 38谢辞 40参考文献 41附录 43附录一（英语文献） 43附录二（中文翻译） 51-PAGE64-基于单片机的电容测试仪——硬件设计摘要随着经济的发展和科技水平的提高，很多智能芯片的制造，使电子测量仪表向数字化、智能化方向发展。电容量的测量是电子测量中最基本的参数测量，要求有一定的精确度，同时要求测量的量程要宽，测量的速度要快。电容在工业生产中相当常见，在电子教学过程当中也很常见。本课题针对在校学生实验，设计中经常因为标签丢失而无法得知其容值，提出开发了基于单片机的电容测试仪系统。该课题通过单片机，LCD1602液晶显示屏，测量电路设计等，研制了一套“电容测试系统”，该系统是由显示系统，按键系统及测量系统等组成。具体实现了通过按键改变系统状态对不同电容测量其电容值及显示的功能。论文论述了该课题的硬件设计部分，其中重点论述了结合系统各功能及系统原理，初步构想原理图，电路原理论证之后，通过AltiumDesigner软件进行特殊器件的原理图库文件的绘制，PCB封装制作以及原理图的绘制；论述系统PCB制板流程，制作成品PCB电路板，其中包括PCB的布局，布线，泪滴和覆铜；最后通过焊接、调试完成系统硬件设计最终实现印刷板的制作及各功能的实现。关键词：单片机，电容测试，LCD1602

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Microcomputer-HardwareDesignAbstractWiththedevelopmentofeconomyandtheimprovementofscienceandtechnology,manysmartchipmanufacturing,electronicmeasuringinstrumenttodigital,intelligentdirection.Capacitancemeasurementisoneofthemostbasicelectronicmeasurementparametersmeasurement,requiresacertainaccuracy,atthesametimerequireswidemeasurementrange,measurementspeedisfaster.Capacitanceisfairlycommoninindustrialproduction,arealsocommoninthemiddleoftheelectronicteachingprocess.Inthedesignofthistopicinviewofthestudentsintheexperiment,oftenbecausethelabelismissingandnotprivytothecapacitancevalue,capacitancemeasuringinstrumentbasedonsinglechipmicrocomputersystemisdeveloped.Thesubjectthroughthesinglechipmicrocomputer,LCD1602LCDdisplay,measuringcircuitdesign,etc.,hasdevelopedasetofcapacitancetestsystem,thesystemismadeupofdisplaysystem,keysystemandmeasurementsystem,etc.Concreteimplementationofmeritkeychangemeasuringthecapacitanceofthesystemstatus,fordifferentvaluesanddisplayfunctions.Paperdiscussesthehardwaredesignpartofthesubject,whichmainlydiscussesthesystemeachfunctionandthesystemprinciple,preliminarydesignprinciplediagramandcircuitprincipleafterargument,withAltiumDesignersoftwaretocarryonthespecialdevice,theprincipleoflibraryfileofdrawing,PCBassemblyproductionaswellastheschematicdrawing,;SystemPCBplate-makingprocess,PCBcircuitboardontheproductionoffinishedproducts,includingPCBlayout,wiring,tearsandcopperclad;Finallythroughwelding,debugging,completesystemhardwaredesignachieveprintingplateproductionandtherealizationofeachfunction.Keywords:Singlechipmicrocomputer，Capacitancetest，LCD1602前言在日常的电路工程或者是电路试验中，电容是一个最常见的元器件，实际应用中，对电容的电容值的准确度要求也是很高的。在实际操作中，对电容的测量存在许多麻烦，数值的表现也不够直观。为此，我们查阅资料，根据所学的知识，设计了一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。本课题通过分小组协作的模式展开，两位同学分别负责整个系统的硬件设计和软件设计。本设计以STC89C52单片机为控制器，通过单片机测量电容的充电时间来计算电容值。在基准电压一定时电容量和电容充放电时间成正比，通过电源给被测电容器充电，充电开始给单片机一个信号使单片机开始计数，充电到基准电压值后通过比较器给单片机一个信号使单片机停止计数，然后把计数值转化成电容量。论文主要技术方向为电路原理图的设计，制作和电路工作原理的解析。在理解目标任务的整机结构及各单元电路的工作原理基础上，熟悉承担的子课题所要解决的难点问题、解决问题的方法、技术要求等；按子课题的要求题电路进行原理图设计；合并各个子课题的设计，完成系统的总体设计，进行整机实物制作及程序调试，实现功能。第1章绪论1.1课题研究的目的及意义电容量是电子信息行业中非常关键的一项物理量，在信息、工业、各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。电容器的基本作用就是充电与放电，但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容器有着种种不同的用途，例如：在电动马达中，用它来产生相移；在照相闪光灯中，用它来产生高能量的瞬间放电等等。而在电子电路中，电容器不同性质的用途尤多，这许多不同的用途，虽然也有截然不同之处，但因其作用均来自充电与放电。电容量的测量是电子测量中最基本的参数测量，要求有一定的精确度，同时要求测量的量程要宽，测量的速度要快。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。电容的重要性是显而易见的，在生活生产中都离不了电容器。所用的电器，生产中的机械设备，如果没有了电容都将无法继续使用。虽然他只是一个不起眼的小配件，但他是不能或缺的。可以想象要是在生产生活中没有了电容，生产无法继续生活将缺少太多的色彩。1.2课题选题背景在设计的过程中，往往需要用到很多电容，电阻等器件。然而在使用过程中，由于时间和管理的疏忽经常会把器件的容量标签丢失，以至于无法得知器件的容量。而且在一些废电路板上有很多也可以使用但又记不得容量的器件，要是扔了又觉得很浪费。在实际操作中，对电容的测量也存在许多麻烦，数值的表现也不够直观。为此，查阅资料，根据所学的知识，设计了一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。现在作为学生所接触到的仅仅停留在学校的实验和设计中，还不曾接触的工业生产和商业交易中，更大批量的器件都会被丢弃浪费。这不止是对资源的浪费，还是对环境的一种破坏。所以回收利用不仅是一种节约也是一种环保。所以，可以直接对电容量进行测量的电容表在更多的范围中应该得到更加充分的应用。1.3课题研究内容本课题通过分小组协作的模式展开，同学分别负责整个系统的硬件终端设计，软件终端设计。本设计以STC89C52单片机为控制器，通过单片机测量电容的充电时间来计算电容值。在基准电压一定时电容量和电容充放电时间成正比，通过电源给被测电容器充电，充电开始给单片机一个信号使单片机开始计数，充电到基准电压值后通过比较器给单片机一个信号使单片机停止计数，然后把计数值转化成电容量。其硬件终端设计的主要内容如下：电的原理图设计。熟悉系统中各个单元电路的功能，按功能进行元器件型号的筛选分类，理出相应的原理图器件清单。开始根据要求设计电路的原理图用AltiumDesigner软件对原理图进行绘制。其中所应用到的创建项目、建立库文件、设置电路图纸尺寸以及版面、添加元件库、放置元器件、元器件布线、放置网络标号、元器件的参数设置及添加封装等。PCB印制板图绘制。利用AltiumDesigner软件构建PCB文件，设置PCB的各种参数后将原理图导入到PCB文件中，形成初步构局，通过调整元件的位置进行简单的布局，采用自动布线和手工布线结合使PCB中的布局合理美观。再对PCB图进行泪滴和覆铜。形成最终的PCB图。使用相应的元器件，参照原理图完成电路板的焊接。本课题通过硬件和软件设计的搭配，通过不断的调试和修改最终实现电容测量的功能。第2章系统总体结构2.1硬件设计2.1.1主控芯片图2-1STC89C52实物图STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其特性可以总结如下：1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.2.工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）3.工作频率范围：0～40MHz，4.用户应用程序空间为8K字节5.片上集成512字节RAM6.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片7.具有EEPROM功能8.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T29.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART10.PDIP封装STC89C52在本系统中所使用的引脚功能说明P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。VCC（40引脚）：电源电压2.1.21602液晶显示图2-2LCD1602液晶显示屏实物图1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动三种。其工作特性如下：3.3V或5V工作电压，对比度可调内含复位电路提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能有80字节显示数据存储器DDRAM内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM2.1.3LM324运算放大器芯片图2-3LM324实物图LM324由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器构成，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。特点如下：1.短路保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100mA5.每封装含四个运算放大器6.具有内部补偿的功能7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能2.1.474LS138译码器芯片图2-474LS138实物图74LS138为3线－8线译码器共有54LS138和74LS138两种型式，其主要电特性的典型值如下：74LS138传播延迟时间22ns功耗32Mw.其工作原理：当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。利用G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，138还可作数据分配器。其工作原理如下：①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2))和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。②利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。④可用在8086的译码电路中，扩展内存。2.2软件设计2.2.1C简介C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，随着微型计算机的日益普及,出现了许多C语言版本。由于没有统一的标准,使得这些C语言之间出现了一些不一致的地方。为了改变这种情况,美国国家标准研究所(ANSI)为C语言制定了一套ANSI标准，成为现行的C语言标准。2.2.2KEIL简介KeiluVision2是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。其优点如下：⒈KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。⒉与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。2.2.3PROTEUS简介Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2021年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。在本设计中，通过PROTEUS构建了电路原理图，与程序所连接进行了对本系统的仿真，对于在接入硬件调试之前起到了很大的帮辅作用。在使用该软件的最初期，由于对软件功能的不熟悉，许多功能都不会使用，构建原理图时，许多器件也无法找到，通过学习和查询，逐渐掌握了该软件的使用方法，慢慢的完成了原理图的构建和仿真。2.3系统工作原理图2-5系统工作原理图本电路在加入待测电容后，系统将对加入的电容检测是否存有剩余电量。通过检测，电容如有剩余电量，则通过单片机选通放电三极管Q7，将电容上的电放掉，放电完毕之后。74LS138译码电路完成对电容的测量前的放电及量程的转换。电路选通Q1-Q5中的一个三极管，经过一定的电阻（本系统中选用1M.100K.10K.1K.100），对电容进行充电；同时，打开单片机的计数器0，开始计数。然后单片机等待外部中断0的发生。当电容充电达到参考电压值时，比较器翻转，该电压值与一个固定电压值做比较，当两个电压进行比较时，当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。由此来确定所测电容是否充电完毕。发出充电完成信号到中断0端口，单片机响应中断，停止计数器0，并关闭充电电路，接通放电电路。接着读出计数器0的值，进行计算，适当的调整后，输出到LCD上显示。

第3章电路原理分析设计3.1电路板总体结构图3-1电路板总体架构图本系统采用电容充放电原理，使电容充电并达到基准电压后，电压比较器会输出一个充电停止信号送给单片机，单片机根据计数器记录的充电时间计算出电容的值送给液晶显示。系统硬件电路包括单片机主控电路、电容测量电路、量程转换电路、显示及按键电路、电源电路。本系统的电路板总体结构框图。电路板以STC89C52单片机为核心，各功能模块电路进行绘制。其中供电系统是选用5V交流供电,电源指示灯则显示电源的开关情况，当系统通电时：指示灯亮。当系统未通电时：指示灯不亮。串口通信电路则包括了Max232芯片，DB9接头。按键电路则由两个独立按键组成。液晶接口是单排座16针接口。量程转换电路由74LS138芯片和充电电路及放电电路组成。电容测量电路则由LM324芯片和电容测量电路构成。3.2电路板各模块功能分析3.2.1电源电路模块分析图3-2电源电路原理图本电路使用直插式电源。该电源由220V输入，5V输出供电路板所需的电源。该电源插口有三个管脚。1脚接VCC，2.3脚接GND.其额定工作功率为：I/PAC：100-240V,AC:50-60Hz.3.2.2串口通信电路模块分析图3-3串口通信电路原理图该电路由DB9接头和MAX232芯片构成。DB9接头在本电路中使用到三条接口，2脚接RXD，3脚接TXD，5脚接VCC。MAX232芯片则分别接入了四个22uf的电解电容，其13.14脚分别接TXD.RXD，11.12脚与单片机的P3.0和P3.1口相接。该两部分都成了本电路的串口通信电路。3.2.3液晶显示电路模块分析图3-4液晶显示电路原理图该电路使用LCD1602液晶显示屏用作显示输出。本电路中，LCD1602有八个数据引脚（D0~D7）与STC89C52相连。用于接收指令和数据；STC89C52通过RS,RW,和E这三个端口控制LCD模块。RS：WCU写入数据或者指令选择段。NCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使MCU为高电平。3脚则与一个阻值为10KV的可调电阻相接，用于对显示屏的明暗度进行调节。3.2.4按键电路模块分析图3-5按键电路原理图本电路使用的是独立按键电路，由两个按键S1.S2分别与单片机的P3.6,P3.7相连接。3.2.5放电电路模块分析图3-6放电电路原理图该电路中放电电路由电阻R20及NPN三极管Q7所构成。当所测电容中存有剩余电量时，74LS138芯片Y0口输出一个低电平，电路将接通放电电路。剩余电量经电阻R20，及三极管Q7流过，通过回路放空。当剩余电量放空时，则Y0口输出一个高电平，通知单片机发出外部中断，由此放电电路关闭。3.2.6量程转换电路模块分析图3-7量程转换电路原理图该电路由74LS138芯片及量程转换电路构成。量程转换电路有5个三极管与若干不同阻值的电阻构成。5个PNP三极管的发射极与VCC连接，基极测分别接入一个阻值为1K欧姆电阻,该电阻的另外一段则接入了74LS138芯片的Y1~Y5。集电极则分别接入了不同阻值的5个电阻。(本系统中选用1M.100K.10K.1K.100)。在本电路中，其工作原理：测量开始由单片机控制译码电路给被测电容放电，放电完成后再有单片机控制译码电路选择充电电阻来完成量程自动转换。当74LS138芯片的A2~A0口输出电信号010时，电路将接通Y0~Y5中的任意一端。待测电容通过接通的一条电路，经过三极管和所连接的不同阻值的电阻对其进行充电。由于每次充电会选通不同的电路，所以对待测电容充电的时间也会有所不同。通过每次充电的所需的时间，从中选取一个最为合适的作为最终选定量程。3.2.7电容测量电路模块分析图3-8电容测量电路原理图该电路由电容测量模块和LM324芯片构成。当待测定容放完剩余电量，选定量程后，系统通过测量电路开始对待测电容进行充电，测量。电容测量电路工作原理：量程转换利用74LS138芯片选择充电电阻来完成。测量电路以电容的充电规律作为测量依据，电源电压E给被测电容Cx充电，Cx两端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τ时，Cx两端电压约为电源电压的63.2%。即0.632E。电容测试仪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1k。两端电压上升到0.632E所需的时间为1ms，那么由公式τ=RC可知C。的容量为1微法。根据电容的充电公式，可以计算出电容在充电到电压时充电时间跟电容的容量和电阻成正比，跟充电电源电压无关。工作过程如下：首先，通过单片机使74LS138芯片选通放电三极管Q７，将电容上的电放掉，单片机控制74LS138芯片选通Q1-Q5中的一个三极管，经过一定的电阻，对电容进行充电，同时，打开单片机的计数器0，开始计数。然后单片机等待外部中断0的发生。当电容充电达到参考电压值时，比较器翻转，发出充电完成信号到中断0端口，单片机响应中断，停止计数器0，并关闭充电电路。接着读出计数器0的值，进行计算，适当的调整后，输出到LCD上显示。本电路通过一个电压比较器来检测电容充电的终止。由电阻R14，R21及R22构成一个分压器，产生一个基准电压。当电容两端电压超过比较电压时，比较器翻转，产生一个低电平到单片机的中断0(INT0)引脚，通知单片机电容充电完成。该处用到了LM324芯片，其内部有四个运算放大器，系统中用到了其中的两个分别为LM324A和LM324B。在电路对电容进行充电时，LM324用来将所充的电量和额定的电压做比较。在LM324中的两个运算放大器之间加入了两个1K欧姆电阻，用来对LM324输出的波形进行稳定调整。该部分所输出的波形，用Multisim软件做出了仿真。图3-9LM324波形仿真图

第4章原理图绘制及PCB板制作4.1单元电路的原理图设计4.1.1作图工具Altiumdesigner09简介AltiumDesigner基于一个软件集成平台，把为电子产品开发提供完整环境所需的工具全部整合在一个应用软件中。AltiumDesigner包含所有设计任务所需的工具：原理图和HDL设计输入、电路仿真、信号完整性分析、PCB设计、基于FPGA的嵌入式系统设计和开发。另外可对AltiumDesigner工作环境加以定制，以满足用户的各种不同需求。AltiumDesigner在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。其特点：AltiumDesigner提供了一个强大的高集成度的板级设计发布过程，它可以验证并将您的设计和制造数据进行打包，这些操作只需一键完成，从而避免了人为交互中可能出现的误差。系统简化规范了发布设计项目的流程，或者更具体地说，是那些项目中定义的配置，直观，简洁而且稳定。更重要的是，该系统可以被直接链接到后台版本控制系统。4.1.2原理图的设计流程图4-1原理图设计流程图启用画图工具启动AltiumDesigner进入原理图设计，由电路图的尺寸对图纸的大小设计相应的参数。设置工作环境设置AltiumDesigner的工作环境，包括设置格点大小，背景颜色等等，其他参数可以使用系统默认值。元器库构建及装载根据电路原理图内容的需要，自己制作元器件库以及加入了其他可使用的器件库。将元器件库添加到库文件中，将元器件从库文件取出放置到图纸上，并对放置零件的序号、零件封装进行定义和设定等工作。根据所设计的要求的不同，所需要的元器件及其封装也是不相同的。在本设计中，使用到了由自己构建的元器件库和其他已有的可用元器件库。对我在原理图的设计过程中，提供了很大的方便。置放元器件及布局根据设计的题目要求，将库文件中的元器件依次放置在图纸中，进行合理的布局（同一模块的器件选择尽量放置于各自的附近），其中自动标注元器件。根据课题要求设置元器件的参数属性和网络标识的放置。原理图布线根据原理图的构造，将图纸上的元件用导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图，将初步绘制好的电路图作进一步的调整和修改，使得原理图更加规范和美观。原理图错误检查及修改对所构成的原理图进行连线的检查，检查是否有连接错误或者没连接成功的情况，还有对元器件的管脚是否有接错的情况。如有错误，则及时修改。原理图构建完成在检错完成后，原理图构建完成。4.1.3器件库的制作在本设计中，所使用的器件库分别有软件自带的，网络下载的以及自己动手绘制的相关器件的器件库。使用作图软件AltiumDesigne自己绘制相关元器件及器件库，具体的操作步骤如下：1.创建原理图库图4-2原理图库创建创建原理图库后，可以对本设计所需的元器件进行制作和编辑。2.原理图库的编辑图4-3原理图库设计元器库编辑管理器界面与原理图设计编辑器界面相似。主要由元件库管理器，主工具栏，菜单，使用工具栏，编辑区等组成。除了主工具栏以外，元件库编辑管理器提供了两个重要的工具栏，即绘制图形工具栏和IEEE工具栏。3.原理图库参数设置图4-4原理图库参数设置对编辑器进行参数的设置，其中包括界面的大小，颜色以及网格的应用等等。4.绘制元器件图4-5元器件的绘制引脚参数设置：图4-6Pin特性参数设置该部分主要对绘制完成的元器件的引脚参数进行设置，主要是引脚标号和引脚的标识。4.完成保存图4-6文件保存界面完成原理图的绘制，将其保存。4.1.4元器件清单原理图元器件清单是按照本设计要求具体制定的，其中包括了各个器件的参数设置，标号以及其封装信息。图4-7元器件清单截图4.2仿真及万能板电路焊接、调试4.2.1Proteus的仿真在本系统设计初期，通过Proteus软件对电路进行仿真实验。通过该软件，对电路的LCD1602液晶显示驱动以及按键电路的功能实现进行了仿真实现。对本系统的设计工作进程起到了关键的作用。以下为Proteus软件仿真的原理图设计：图4-8Proteus仿真原理图截图该图为Proteus软件对LCD1602液晶显示驱动的模拟仿真图：图4-9Proteus仿真截图4.2.2NiMultisim11仿真Multisim是美国国家仪器（NI）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。本电路中，用其对系统的充电及放电电路进行仿真。当接通不同的电路时，其产生的波形发生了明显的跳动，说明该电路可对电容进行充放电。图4-10Multisim仿真电路截图该图为系统充电电路及放电电路在Multisim软件上的仿真，取三个不同的点对电压进行测量，LM324两个部分的输出端接入一个示波器对其波形的跳动进行显示。当仿真进行时，电路各个节点的电压都产生了不同。说明了LM324运算放大器对电压进行了比较和输出。本电路从左至右，于三个不同的节点上加入了三个万用表，用于对三个点的电压进行检测。（数据显示顺序由上往下对应电路图中的万用表由左往右）。图4-11Multisim仿真截图4.2.3焊接万能板在万能板焊接的初期，对电源的5V输入能否满足其正常工作所需的电压做了一些实验对其进行验证。将LM324通过5V供电，电压输出端为3.77V，此时的反相端口则为1.8V。电压输出端为3.76V，此时的反相端口则为3V。由此LM324在5V供电时，都能在其额定的电压内，所以没有为LM324做单独电压，而是通过整个系统的5V电源直接供电。下图为验证LM324供电的实物图：图4-12检测电路实物截图本系统设计当中，通过万能板的焊接做成了初期的硬件，用于对程序的调试。经过对原理图的研究，电路可行性的考证之后。购买了万能板及电路所需的器件，芯片以及其他各种相关的零件，通过不断的修改和焊接。终于完成了万能板的焊接，并且通过调试，使其可以正常工作。图4-13万能板实物截图4.3PCB印制板设计与制作4.3.1设置PCB设计环境在从原理图编辑器转换到PCB编辑器之前，需要创建一个有最基本轮廓的空白PCB文件。1.新建PCB文件图4-13创建PCB文件截图截图2.PCB参数设置图4-14板选项框执行Design-Board-Options命令，设置版图的参数。执行该命令后将会出现如图对话框，然后就可以正式的PCB元件导入，布局以及布线。3.认识PCB的层PCB各层的含义如下：（1）Signallayer(信号层)信号层主要用于布置电路板上的导线.（2）Internalplanelayer(内部电源/接地层)该类型的层仅用于多层板,主要用于布置电源线和接地线.我们称双层板,四层板,六层板,一般指信号层和内部电源/接地层的数目.（3）Mechanicallayer(机械层)一般用于设置电路板的外形尺寸,数据标记,对齐标记,装配说明以及其它的机械信息.这些信息因设计公司或PCB制造厂家的要求而有所不同.执行菜单命令能为电路板设置更多的机械层.另外,机械层可以附加在其它层上一起输出显示.（4）Soldermasklayer(阻焊层)在焊盘以外的各部位涂覆一层涂料,如防焊漆,用于阻止这些部位上锡.阻焊层用于在设计过程中匹配焊盘,是自动产生的。（5）Pastemasklayer(防护层)它和阻焊层的作用相似,不同的是在机器焊接时对应的表面粘贴式元件的焊盘。（6）Keepoutlayer(禁止布线层)用于定义在电路板上能够有效放置元件和布线的区域.在该层绘制一个封闭区域作为布线有效区,在该区域外是不能自动布局和布线的.（7）Silkscreenlayer(丝印层)丝印层主要用于放置印制信息,如元件的轮廓和标注,各种注释字符等.（8）Multilayer(多层)电路板上焊盘和穿透式过孔要穿透整个电路板,与不同的导电图形层建立电气连接关系,因此系统专门设置了一个抽象的层,多层.一般,焊盘与过孔都要设置在多层上,如果关闭此层,焊盘与过孔就无法显示出来.（9）Drilllayer(钻孔层)钻孔层提供电路板制造过程中的钻孔信息(如焊盘,过孔就需要钻孔).AltiumDesigner提供层堆栈管理器对各层属性进行管理。在层堆栈管理器，可自定义层的结构，看到层堆栈的立体效果。对电路板工作层的管理可以执行Design—LayerStackManager命令。图4-15层堆栈管理器窗口4.定义层和设置层的颜色如果查看PCB工作区的地步，会看见一系列的标签。PCB编辑器是一个多层环境，在设计印制电路板时，往往会遇到工作层选择的问题，可以在不同的工作层上进行不同的操作。当进行工作层设置时，可以执行PCB设计管理器的Design-Board-Layer命令，将弹出如图对话框，其中显示用到的信号层，平面层，机械层以及层的颜色和图纸颜色。图4-15视图配置窗口4.3.2元件布局在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。打开PCB文件:执行—工具—器件布局—自动布局—弹出下列窗口：图4-16PCB自动生成确认窗口点击YES后生成PCB布局图，经过对元器件的摆放和布局，形成以下界面：图4-17PCB元器件布局窗口1.要有合理的走向：如输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等，它们的走向应该是呈线形的(或分离)，不得相互交融。其目的是防止相互干扰。最好的走向是按直线，但一般不易实现，最不利的走向是环形。

2.选择好接地点：小小的接点不知有多少工程技术人员对它做过多少论述，足见其重要性。

3.合理布置电源，电容：一般在原理图中仅画出若干电源，电容，但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件而设置的，布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。

4.线条有讲究：有条件做宽线决不做细；高压及高频线应园滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。地线应尽量宽，最好使用大面积覆铜，这对接地点问题有相当大的改善。

5.有些问题虽然发生在后期制作中，但却是PCB设计中带来的，它们是：

过线孔太多，沉铜工艺稍有不慎就会埋下隐患。所以，设计中应尽量减少过线孔。同向并行的线条密度太大，焊接时很容易连成一片。所以，线密度应视焊接工艺的水平来确定。焊点的距离太小，不利于人工焊接，只能以降低工效来解决焊接质量。4.3.3布线，覆铜PCB的设计环节当中，设计规则是不可缺少的一部分。因为它关系到PCB中布线，覆铜的好坏。所以我们得先进行规则和约束的设置。执行—设计—规则，根据要求设置其约束数据，如下图所示：图4-18PCB规则设置框规则设置对话框可以对，线宽（线宽决定通过的电流大小）线间距以及各种孔的大小等不同的参数进行设置。在本系统设计时PCB中布线时的线宽为0.635mm，各孔径的尺寸设定为0.889mm。1.PCB的布线布线是整个PCB设计中最重要的工序，该步骤将会影响PCB板的性能优劣。在PCB的设计过程中，布线一般有三种层次的划分：首先是布通。这是PCB设计时的最基本的要求。如果线路没有布通，PCB板将无法运行，这将会是一块不成功的板子。其次是电器性能的满足。这是衡量一块电路板是否合格的标准。这是在布通之后，调整布线，使其能达到最佳的电器性能。接着就是美观。布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电器性能和满足其他要求的情况下得以实现。布线参数设定完毕后，开始布线。执行—自动布线—全部：布线的过程中会弹出相应的信息框，主要是显示布线中每个部分的完成情况：图4-19布线信息框下图为自动布线后的PCB截图：图4-20PCB板截图2.PCB的覆铜覆铜，就是将PCB上闲置的空间作为基准面，然后用固体铜填充，这些铜区又称为灌铜。覆铜的意义在于，减小地线阻抗，提高抗干扰能力；降低压降，提高电源效率；还有，与地线相连，减小环路面积。覆铜需要处理好几个问题：一是不同地的单点连接，做法是通过0欧电阻连接；二是晶振附近的覆铜，电路中的晶振为一高频发射源，做法是在环绕晶振敷铜，然后将晶振的外壳另行接地。三是孤岛问题，如果觉得很大，那就定义个地过孔添加进去也可以解决。具体的覆铜步骤如下：点击下脚的TopLayer和BottomLayer设置选项：图4-21颜色设置选项框对PCB图的四个顶角进行相应的顶层进行铜膜走线，生成下图：图4-22顶层铜膜走线图点击Bottomlayer对PCB图的四个顶角进行相应的底层进行铜膜走线，生成下图：图4-23底层铜膜走线图制成PCB电路板：图4-24PCB电路板4.3.4PCB板的焊接1.焊接工具的选用普通电烙铁：普通电烙铁只适合焊接要求不高的场合使用。如焊接导线、连接线等。吸锡器：吸锡器实际是一个小型手动空气泵，压下吸锡器的压杆，就排出了吸锡器腔内的空气；释放吸锡器压杆的锁钮，弹簧推动压杆迅速回到原位，在吸锡器腔内形成空气的负压力，就能够把熔融的焊料吸走。2.插件元件焊接的步骤：2.1插入将插件元件插入电路板标示位置过孔中，与电路板紧贴至无缝为止。如未与电路板贴紧，在重复焊接时焊盘高温易使焊盘损伤或脱落，物流过程中也可导致焊盘损伤或脱落。2.2预热烙铁与元件引脚、焊盘接触，同时预热焊盘与元件引脚，而不是仅仅预热元件，此过程约需1秒钟时间。2.3加焊锡焊锡加焊盘上（而不是仅仅加在元件引脚上），待焊盘温度上升到使焊锡丝熔化的温度，焊锡就自动熔化。不能将焊锡直接加在烙铁上使其熔化，这样会造成冷焊。2.4加适量的焊锡，然后先拿开焊锡丝。2.5焊后加热拿开焊锡丝后，不要立即拿走烙铁，继续加热使焊锡完成润湿和扩散两个过程，直到是焊点最明亮时再拿开烙铁，不应有毛刺和空隙。2.6冷却在冷却过程中不要移动插件元件3.通电检查在外观检查结束以后认为连线无误，在通过使用万用表对电路进行精确的检查后，才可进行通电检查，这是检验电路性能的关键。如果不经过严格的检查，通电检查不仅困难较多，而且可能损坏设备仪器，造成安全事故。例如电源连接线虚焊，电路连接短路等问题。图4-25焊接完成的PCB电路板

第5章总结5.1设计工作总结随着经济的发展和科技水平的提高，很多智能芯片的制造，使电子测量仪表向数字化、智能化方向发展。电容量的测量是电子测量中最基本的参数测量，要求有一定的精确度，同时要求测量的量程要宽，测量的速度要快。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。这也是本文研究的重点，现将本文的主要设计工作总结如下：1.通过查阅大量的关于单片机操作和设计及电容测试的相关文献，了解掌握了电容测试技术的现状以及发展动态，并对基于单片机的电容测试仪进行讨论。2.介绍了电容测试技术,电路原理图的设计，绘制和PCB制版的方法。3.从系统总体结构设计和系统工作原理分析及硬件设计等几个方面介绍了基于单片机的电容测试仪的实现和研究过程。首先介绍在系统中实现过程中涉及到的充电，放电技术；然后介绍设计硬件流程以及流程中各硬件模块的工作原理；最后介绍了硬件设计中的原理图绘制步骤及PCB印制板制作的方法，其实现用到了AltiumDesigner9软件。4.通过和同组同学的相互讨论，对该设计实现过程中的问题进行具体的分析，并提出解决的方案。5.2后期展望本文所讨论的基于单片机的电容测试仪利用了对电容进行充放电，测的充电时间从而计算出电容量的原理和模拟电路的相关知识，对一个未知其电容值的电容器机芯测量。通过一段时间的硬件选型，设计，软件编写及调试取得了满意的结果。为了进一步完善系统功能和推广应用，在以下几个方面有待改进：（1）系统硬件方面，采用贴片式工艺，控制板体积更小，质量更好，功耗更低，使硬件制作的质量更好。（2）软件应用方面，加深学习AltiumDesigner软件的运用，更加熟练的运用软件，可以提高原理图绘制及PCB制作的效率和质量。（3）PCB制作方面，PCB设计参数设置中对孔径和线距，线宽的设置还存在不完美的地方。孔径大小设置的不合理也给后期的焊接添加了不小的麻烦。

谢辞在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师xx表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！在学校的学习生活即将结束，回顾四年来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!在论文工作中，遇到了许许多多这样那样的问题，有的是专业上的问题，有的是论文格式上的问题，一直得到老师的亲切关怀和悉心指导，使我的论文可以又快又好的完成，老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘我的老师对我的亲切关怀和悉心指导，再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助!值此论文完成之际，谨向xx老师致以最崇高的谢意!另外我还要感谢在本次设计中负责软件设计的xxx同学，在设计过程中她向我提供了很多的宝贵意见及帮助。而且在论文的完成过程中，也给我提供了巨大的帮助，让我得以顺利的完成了论文。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师。

参考文献中文专著[1]陆子明.单片机设计与应用基础教程.北京：国防工业出版社，2021.[2]晁阳.单片机MCS-51原理及应用开发教程,北京：清华大学出版社.2021.[3]邓亚平.微型计算机接口技术.北京：清华大学出版社.2021.[4]张义和，王敏男，许宏昌，于春长.例说51单片机（C语言版）.北京：人民邮电出版社，2021.[5]周润景，张丽娜.基于proteus的电路及单片机系统设计与仿真.北京航空航天大学出版社，2021.[6]唐颖，程菊花，任条娟.单片机原理与应用及C51程序设计.北京：北京大学出版社，2021.[7]梅开乡，梅军进，陈大力，周立求.电子电路设计与制作.北京：北京理工大学出版社，2021.[8]宋戈，黄鹤松，员玉良，蒋海峰.51单片机应用开发范例大全.北京：人民邮电出版社，2021.[9]王济浩.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2021.[10]余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2021.[11]何立民.单片机应用技术选编.北京.北京航空航天大学出版社，1996.[12]张海藩.软件工程.北京：人民邮电出版社，2021.[13]肖龙，屈芳升.单片机应用系统设计与制作.北京：机械工业出版社，2021.[14]周航慈.单片应用程序设计技术.北京：北京航空航天大学出版社，1990.[15]余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2021.[16]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2021.[17]王忠飞.MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用.西安：西安电子科技大学出版社，2021.[18]陶春鸣．单片机实用技术．北京：人民邮电出版社，2021．[20]童诗白，华成英．模拟电子技术基础3版．北京：高等教育出版社，2021．[22]申忠如，申淼，谭亚丽.MCS-51单片机原理及系统设计[M].西安：西安交通大学出版社，2021.[23]张毅刚.MCS-51单片机应用系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2021.[24]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，2021.[25]沈晓谷.采用脉冲计数法以单片机实现电容的测量[J].上海应用技术学院学报，2021[26]刘军，李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].研究与开发，2021[27]董明磊，赵春宇，陈大跃.数字式微电容测量系统及其应用[J].电子测量与技术，2021[28]谢冬莹，芦庆，蒋超.基于单片机实现测量电容方法研究[J].仪表技术，2021[29]张怀强，何为民.电阻电容在线测试及LCD显示