51單片機做電容測量儀解析

電容測量儀〔A題〕2016年5月14日摘要電容測量儀裝置是一種精度高、測試圍寬、操作簡便、功能完善的電容測量儀。隨著科技的不斷開展，電容在電路中有著越來越多的應(yīng)用，其容量大小直接決定著電路的穩(wěn)定性和準確性。因此，電容值的的測量在日常使用中不可防止。為了深入了解和學(xué)習(xí)52單片機的功能，本設(shè)計采用STC89C52和555振蕩器為主要元件對電容進展測量。先將555設(shè)計為多諧振蕩器產(chǎn)生輸入脈沖信號，然后利用單片機對脈沖進展中斷計數(shù)，再使用公式計算出電容值。在多諧振蕩器終端加一個HD74LS08〔二輸入與門〕穩(wěn)定輸出波形，從而使測量中更準確。多諧振蕩器會因為連接電阻值的不同而產(chǎn)生的方波的頻率不同，從而可以變換檔位測量容量差距較大的電容。如果在工程問題中想尋找出符合要求的電容，便可通過矩陣鍵盤輸入相應(yīng)的電容值的圍，以方便篩選。當電容測定完以后，其數(shù)值通過LCD1602顯示出來，以便閱讀。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機；電容測量；555定時器；LCD1602；目錄1系統(tǒng)方案 11.1電容測量儀的論證與選擇 11.2控制系統(tǒng)的論證與選擇 12系統(tǒng)理論分析與計算 12.1設(shè)計方案的分析 1利用電容器放電測電容實驗原理1利用放電時間比率來測電容1利用單片機測脈沖來測時間常數(shù)RC再計算電容12.2電容的計算 12.2.1計算振蕩周期12.2.2計算頻率12.2.3計算C*13電路與程序設(shè)計 23.1電路的設(shè)計 23.1.1系統(tǒng)總體框圖 23.1.2系統(tǒng)框圖 2總程序框圖 23.1.4電源 23.2程序的設(shè)計 23.2.1程序功能描述與設(shè)計思路 23.2.2程序流程圖 34測試方案與測試結(jié)果 34.1測試方案 34.2測試條件與儀器 34.3測試結(jié)果及分析 34.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 34.3.2測試分析與結(jié)論 4附錄1：電路原理圖 5電容測量儀〔A題〕1設(shè)計方案設(shè)計一：利用電容器放電測電容實驗原理電容器充電后，所帶電量Q與兩極板間電壓U和電容C之間滿足Q＝CU的關(guān)系。U可由直流電壓表測出，Q可由電容器放電測量。使電容器通過高電阻放電，放電電流隨電容器兩極板間的電壓下降而減少，通過測出不同時刻的放電電流值，直至I＝0，作出放電電流I隨時間變化的曲線，曲線下的面積即等于電容器所帶電量。由C＝Q/U可求出電容器的電容值。但此方法操作性差，很難實現(xiàn)其功能，故舍之。設(shè)計二：利用放電時間比率來測電容其測量原理是把被測電容和基準電容連接到同一電阻上，構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)。通過測量兩個電容放電時間的比率，就可以求出被測電容的電容值。充電前電容的電壓為0，放電時電容電壓與時間的關(guān)系為：當Vc到達Vth時從而由于R和Vth/E，可根據(jù)Tc算出C。此方法的測量圍從pF(10-12F)到幾十個nF(10-9F)，并且在寄生電容的抑制和溫度穩(wěn)定性方面具有極很大的優(yōu)勢，但此方法適用于電解電容，對于瓷片電容并不適用。設(shè)計三：利用單片機測脈沖來測時間常數(shù)RC再計算電容其測量原理是把被測電容和電阻串聯(lián)，構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)，然后可利用這個時間常數(shù)去利用多諧振蕩器，調(diào)好振蕩信號的波形然后開場計數(shù)脈沖值，可能的周期為T=A0×RC，A0為一個常數(shù)，可通過周期可以計算出C的值。這個可以用單片機來測，理論上可以從測的值可以為N多個，大大超過前面所講述的?？紤]到實用性和可操作性，我們選擇設(shè)計三。利用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路〔如圖****〕，待測電容是電路中的C*，再把〞OUT〞口輸出的信號的頻率輸入單片機的P1.0口，C*的一端連接單片機的P2.3口，通過公式換算得到電容值。P3.7口接一獨立按鍵，當其按下時，555定時器的3引腳輸出方波，3腳與P1.0口相接，可通過程序測出其頻率，進而求出C*的值，并顯示在LCD1602液晶屏上。由分析可知其振蕩周期為：由單穩(wěn)態(tài)電路的特性知：使R1=R2,則：電容測量電路如圖1所示：圖1555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)的電容測量電路圖此方案從計算公式可知，只需要通過單片機處理頻率信號即可得到待測電容值，對測量精度要求而言，還是比擬符合要求的，由于是通過單片機讀取轉(zhuǎn)化，準確度會明顯的提高。核心元器件簡介STC89C52的介紹STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低耗能、性能高的CMOS8位微控制器。具有以下標準功能：置4KBEEPROM，有MA*810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，8k字節(jié)Flash，32位I/O口線，512字節(jié)RAM，看門狗定時器，一個7向量4級中斷構(gòu)造，全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停頓，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止?？臻e模式下，CPU停頓工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。最高運作頻率35MHz，12T/6T可選。STC89C52單片機最小系統(tǒng)原理圖:圖2STC89C52單片機最小系統(tǒng)555定時器的介紹NE555集成電路是8腳封裝，雙列直插型。NE555引腳功能如下：Pin1-GND(接地)-通常被連接到電路共同接地。Pin2-Trigger(觸發(fā)點)-這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期，又稱觸發(fā)端，是下比擬器的輸入。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3VCC，下緣須低于1/3VCC。Pin3-Output(輸出)-輸出端〔VO〕，它有0和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加電平?jīng)Q定，當時間周期開場555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的完畢輸出回到0伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約0.2A。Pin4-Reset(重置)-一個低邏輯電位送至該腳位時會重置定時器且使輸出回落到一個低電位，加上低電平時可使輸出為低電平[5]。它通常被接到電源或不用連接。Pin5-Controlvoltage(控制)-控制電壓端〔VC〕，準許由外部電壓控制觸發(fā)和閘限電壓，可用它控制改變上下觸發(fā)電平值。當計時器經(jīng)營在振蕩或穩(wěn)定的運作方式下,這個輸入可以用來改變或調(diào)整輸出的頻率值。Pin6-Threshold(重置鎖定)-又稱閾值端〔TH〕，是上比擬器的輸入；重置鎖定并能使輸出呈低電平。當此接腳的電壓從1/3VCC電壓以下移至2/3VCC以上時啟動這個動作。Pin7-Discharge(放電端DIS〕，它是部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定這個接腳和主要的輸出接腳有一樣的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。Pin8-Vcc(V+)-這是555個計時器IC的正電源電壓端。供給電壓的圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。圖3555定時器輸出波形圖4555集成電路部構(gòu)造圖1602液晶的介紹本設(shè)計使用的1602液晶為5V電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，置含128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口。接口說明：Pin-1-VSS電源地 Pin-2-VDD電源正極Pin-3-VQ液晶顯器比照度調(diào)節(jié) Pin-4-RS數(shù)據(jù)/命令選擇輸入〔H/L〕Pin-5-R/W讀寫選擇端〔H/L〕 Pin-6-E使能信號Pin-7-D0數(shù)據(jù)接口 Pin-8-D1數(shù)據(jù)接口Pin-9-D2數(shù)據(jù)接口 Pin-10-D3數(shù)據(jù)接口Pin-11-D4數(shù)據(jù)接口 Pin-12-D5數(shù)據(jù)接口Pin-13-D6數(shù)據(jù)接口 Pin-14-D7數(shù)據(jù)接口Pin-15-BLA背光燈電源正極 Pin-16-BLK背光燈電源負極根本操作時序：讀狀態(tài)輸入：RS=L,R/W=H,E=H 輸出：D0~D7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù)輸入：RS=H,R/W=H,E=H 輸出：無寫指令輸入：RS=L,R/W=L,D0~D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入：RS=H,R/W=L,D0~D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：無1602與單片機接口：圖51602與單片機接口系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是被測電容通過555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路，頻率輸入單片機，通過分屏電路把頻率送入單片機，并把頻率通過單片機處理，運算出相應(yīng)的數(shù)值，再用LCD1062顯示出來。系統(tǒng)方框圖***如下：STC89C52STC89C52單片機鍵盤輸入*圍鍵盤輸入*圍LCD1602LCD1602555多諧振蕩器555多諧振蕩器被測電容被測電容圖6系統(tǒng)方框圖主程序流程圖:主程序流程是先通過按鍵對單片機時鐘和端口進展初始化，再對定時器進展初始化，液晶初始化顯示開機界面，再轉(zhuǎn)入上面所設(shè)計的開機總中斷，完畢之后進入低功耗模式，具體流程如圖7所示。開場開場單片機時鐘初始化單片機端口初始化液晶初始化顯示開機界面開啟總中斷定時器初始化進入自動換擋測量模式圖7主程序流程圖心得體會這次設(shè)計歷時兩個周左右。在此期間，查找資料，同學(xué)交流，反復(fù)調(diào)試，每一個過程都是對我們這個團隊的一次檢驗和挑戰(zhàn)。通過這次實踐，我們深入學(xué)習(xí)了52單片機、555定時器和LCD1602的用途及工作原理，掌握了設(shè)計步驟，鍛煉了實踐能力，培養(yǎng)了獨立設(shè)計能力。這次課程設(shè)計收獲很多，比方學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的制作能力。但是此次比賽也暴露出了我們的知識根底有很多缺乏之處。由于能力有限，未能做到用鍵盤輸入電容的測量圍來篩選電容，因此感到有點兒遺憾。這次實踐是對自己模電和單片機所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己的能力還有待提高。本設(shè)計是在教師的精心指導(dǎo)和鼓勵下完成的。在此，謹向教師和幫助我的同學(xué)表示衷心的感！此外，我還要感在我的論文中所有被援引過的文獻的作者們，他們是我的知識之源。最后，再次向所有給予我?guī)椭凸膭畹耐瑢W(xué)和教師致以最誠摯的意！1：電路圖圖8總電路圖2：元件清單表1元件型號位號數(shù)量單片機STC89C52RCU11排阻A103JRP11電磁繼電器JWDRL1，RL2，RL33晶振12M*11瓷片電容30pFC1，C22獨石電容103〔0.01uF〕C41電阻10KΩR1，R2，R5，R6，R75按鍵J1，J2,2液晶LCD1602LCD11555定時器NE555U21電阻1KΩR3，R42電阻10ΩR9，R10，R113與門HD74LS08U31電解電容50V，1000pFC31三：程序*include<reg52.h>*include"intrins.h"http://庫函數(shù)*defineuintunsignedint*defineucharunsignedchar*defineulongunsignedlonguchartable4[16]="C(nF)=";ucharnum,b,*=1,i,a=2,th0,tl0;uintC;ulongf,Cpf,f1;sbitlcden=P2^7; //液晶使能端sbitlcdrs=P2^5; //液晶數(shù)據(jù)命令選擇端sbitRW=P2^6;//1602寫地址sbitkey_C=P3^7; //測量電容按鍵sbitC_out= P1^7; //測量電容信號輸入sbitswitch0=P1^0;sbitswitch1=P1^1;sbitswitch2=P1^2;sbitkey_C0=P1^3;sbitkey_C1=P1^4;sbitkey_C2=P1^5;//聲明子函數(shù)voiddelayms(uint*ms); //延時函數(shù)voidwrite_(uchar); //液晶寫命令函數(shù)voidwrite_data(uchardate);//液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù) voidled_init(); //液晶初始化函數(shù)voidt_init(); //定時器0初始化函數(shù)voidkeyscan(); //鍵盤檢測函數(shù)(確定被測元件為電阻、電容或電感)voiddisplay_f(ulongf); //頻率顯示函數(shù)voiddisplay_C(uintC); //電容顯示函數(shù)voiddisplay_Cpf();//主函數(shù)voidmain(){ switch0=0; switch1=0; switch2=0; key_C0=0; key_C1=0; key_C2=0; RW=0; led_init(); //清屏函數(shù) t_init(); keyscan(); write_(0*0c);//開顯示，不開光標 a=2; while(1) { keyscan(); switch(b) { case0:{ delayms(80); C=(int)(0.069*f*2); if(C<10)display_Cpf(); else{switch0=1;led_init();} }break; case1:{ if(C)C=(int)(0.9*C+0.0069*f*2); elseC=(int)(0.069*f*2); if(C<49){table4[2]=110;display_C(C);} else{switch1=1;led_init();} }break; case2:{ if(C)C=(int)(0.9*C+0.0069*f*2); elseC=(int)(0.069*f*2); if(C<499){table4[2]=110;display_C(C);} else{switch2=1;led_init();} }break; case3:{ if(C)C=(int)(0.9*C+0.0069*f*2); elseC=(int)(0.069*f*2); if(C>4999)C=4999;table4[2]=110;display_C(C); }break; } }} //中斷函數(shù)voidT0_count()interrupt1{ switch(a) { case2:while(C_out); while(!C_out); TH0=0; TL0=0; while(C_out); while(!C_out); th0=TH0; tl0=TL0; TR0=1; break;}f=th0*256+tl0;}//延時函數(shù)voiddelayms(uint*ms) { uinti,j; for(i=*ms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--);}//液晶寫命令函數(shù)voidwrite_(uchar){ delayms(2); lcdrs=0; P0=; lcden=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); lcden=0;}//液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù)voidwrite_data(uchardate) { delayms(2); lcdrs=1; lcden=1; P0=date; lcden=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); lcden=0;}//液晶初始化函數(shù)voidled_init(){ delayms(15); write_(0*38); //設(shè)置16×2顯示，5×7點陣，8位數(shù)據(jù)接口 delayms(5); write_(0*38); delayms(5); write_(0*01); delayms(5); write_(0*08); delayms(5); write_(0*0C); }//定時器0初始化函數(shù)voidt_init(){ TMOD=0*01; //設(shè)置定時器0工作方式1(M1M0=0*0001) TH0=0; //裝初值 TL0=0; EA=1; //開總中斷 ET0=1; //開定時器0中斷 TR0=1; //啟動定時器0}//檔位檢測函數(shù)(確定被測元件的檔位)voidkeyscan() {if