昆明理工大學津橋學院畢業設計（論文）題目基于單片機的電容測試儀設計硬件設計系部計算機與電子電氣工程系專業電子信息科學與技術年級2009級學生姓名XXX學號200916022218指導教師XX日期201359教務處制基于單片機的電容測試儀系統設計硬件設計THECAPACITORTESTERBASEDONTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERHARDWAREDESIGNSCHOOLKUNMINGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYINSTITUTEOFOXBRIDGECOLLEGEDEPARTMENTCOMPUTERANDDEPARTMENTOFELECTRICALANDELECTRONICENGINEERINGSUBJECTELECTRONICINFORMATIONSCIENCEANDTECHNOLOGYGRADE09NAMEXXSTUDENTID200916022218TEACHERXX目錄摘要IABSTRACTII前言1第1章緒論211課題研究的目的及意義212課題選題背景213課題研究內容3第2章系統總體結構421硬件設計4211主控芯片42121602液晶顯示6213LM324運算放大器芯片721474LS138譯碼器芯片822軟件設計8221C簡介8222KEIL簡介9223PROTEUS簡介923系統工作原理10第3章電路原理分析設計1231電路板總體結構1232電路板各模塊功能分析13321電源電路模塊分析13322串口通信電路模塊分析13323液晶顯示電路模塊分析14324按鍵電路模塊分析14325放電電路模塊分析15326量程轉換電路模塊分析15327電容測量電路模塊分析16第4章原理圖繪制及PCB板制作1941單元電路的原理圖設計19411作圖工具ALTIUMDESIGNER09簡介19412原理圖的設計流程20413器件庫的制作21414元器件清單2442仿真及萬能板電路焊接、調試25421PROTEUS的仿真25422NIMULTISIM11仿真26423焊接萬能板2743PCB印制板設計與制作28431設置PCB設計環境28432元件布局31433布線，覆銅33434PCB板的焊接36第5章總結3851設計工作總結3852后期展望38謝辭40參考文獻41附錄43附錄一（英語文獻）43附錄二（中文翻譯）51基于單片機的電容測試儀硬件設計摘要隨著經濟的發展和科技水平的提高，很多智能芯片的制造，使電子測量儀表向數字化、智能化方向發展。電容量的測量是電子測量中最基本的參數測量，要求有一定的精確度，同時要求測量的量程要寬，測量的速度要快。電容在工業生產中相當常見，在電子教學過程當中也很常見。本課題針對在校學生實驗，設計中經常因為標簽丟失而無法得知其容值，提出開發了基于單片機的電容測試儀系統。該課題通過單片機，LCD1602液晶顯示屏，測量電路設計等，研制了一套“電容測試系統”，該系統是由顯示系統，按鍵系統及測量系統等組成。具體實現了通過按鍵改變系統狀態對不同電容測量其電容值及顯示的功能。論文論述了該課題的硬件設計部分，其中重點論述了結合系統各功能及系統原理，初步構想原理圖，電路原理論證之后，通過ALTIUMDESIGNER軟件進行特殊器件的原理圖庫文件的繪制，PCB封裝制作以及原理圖的繪制；論述系統PCB制板流程，制作成品PCB電路板，其中包括PCB的布局，布線，淚滴和覆銅；最后通過焊接、調試完成系統硬件設計最終實現印刷板的制作及各功能的實現。關鍵詞單片機，電容測試，LCD1602THECAPACITORTESTERBASEDONTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERHARDWAREDESIGNABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFECONOMYANDTHEIMPROVEMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,MANYSMARTCHIPMANUFACTURING,ELECTRONICMEASURINGINSTRUMENTTODIGITAL,INTELLIGENTDIRECTIONCAPACITANCEMEASUREMENTISONEOFTHEMOSTBASICELECTRONICMEASUREMENTPARAMETERSMEASUREMENT,REQUIRESACERTAINACCURACY,ATTHESAMETIMEREQUIRESWIDEMEASUREMENTRANGE,MEASUREMENTSPEEDISFASTERCAPACITANCEISFAIRLYCOMMONININDUSTRIALPRODUCTION,AREALSOCOMMONINTHEMIDDLEOFTHEELECTRONICTEACHINGPROCESSINTHEDESIGNOFTHISTOPICINVIEWOFTHESTUDENTSINTHEEXPERIMENT,OFTENBECAUSETHELABELISMISSINGANDNOTPRIVYTOTHECAPACITANCEVALUE,CAPACITANCEMEASURINGINSTRUMENTBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMISDEVELOPEDTHESUBJECTTHROUGHTHESINGLECHIPMICROCOMPUTER,LCD1602LCDDISPLAY,MEASURINGCIRCUITDESIGN,ETC,HASDEVELOPEDASETOFCAPACITANCETESTSYSTEM,THESYSTEMISMADEUPOFDISPLAYSYSTEM,KEYSYSTEMANDMEASUREMENTSYSTEM,ETCCONCRETEIMPLEMENTATIONOFMERITKEYCHANGEMEASURINGTHECAPACITANCEOFTHESYSTEMSTATUS,FORDIFFERENTVALUESANDDISPLAYFUNCTIONSPAPERDISCUSSESTHEHARDWAREDESIGNPARTOFTHESUBJECT,WHICHMAINLYDISCUSSESTHESYSTEMEACHFUNCTIONANDTHESYSTEMPRINCIPLE,PRELIMINARYDESIGNPRINCIPLEDIAGRAMANDCIRCUITPRINCIPLEAFTERARGUMENT,WITHALTIUMDESIGNERSOFTWARETOCARRYONTHESPECIALDEVICE,THEPRINCIPLEOFLIBRARYFILEOFDRAWING,PCBASSEMBLYPRODUCTIONASWELLASTHESCHEMATICDRAWING,SYSTEMPCBPLATEMAKINGPROCESS,PCBCIRCUITBOARDONTHEPRODUCTIONOFFINISHEDPRODUCTS,INCLUDINGPCBLAYOUT,WIRING,TEARSANDCOPPERCLADFINALLYTHROUGHWELDING,DEBUGGING,COMPLETESYSTEMHARDWAREDESIGNACHIEVEPRINTINGPLATEPRODUCTIONANDTHEREALIZATIONOFEACHFUNCTIONKEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTER，CAPACITANCETEST，LCD1602前言在日常的電路工程或者是電路試驗中，電容是一個最常見的元器件，實際應用中，對電容的電容值的準確度要求也是很高的。在實際操作中，對電容的測量存在許多麻煩，數值的表現也不夠直觀。為此，我們查閱資料，根據所學的知識，設計了一個數字電容測試儀，只要接入被測電容，打開開關以后，就能直接在屏幕上顯示出電容的大小，方便在以后的實驗中對電容的使用。本課題通過分小組協作的模式展開，兩位同學分別負責整個系統的硬件設計和軟件設計。本設計以STC89C52單片機為控制器，通過單片機測量電容的充電時間來計算電容值。在基準電壓一定時電容量和電容充放電時間成正比，通過電源給被測電容器充電，充電開始給單片機一個信號使單片機開始計數，充電到基準電壓值后通過比較器給單片機一個信號使單片機停止計數，然后把計數值轉化成電容量。論文主要技術方向為電路原理圖的設計，制作和電路工作原理的解析。在理解目標任務的整機結構及各單元電路的工作原理基礎上，熟悉承擔的子課題所要解決的難點問題、解決問題的方法、技術要求等；按子課題的要求題電路進行原理圖設計；合并各個子課題的設計，完成系統的總體設計，進行整機實物制作及程序調試，實現功能。第1章緒論11課題研究的目的及意義電容量是電子信息行業中非常關鍵的一項物理量，在信息、工業、各種高新技術的開發和研究中也是一個非常普遍和常用的測量參數。電容器的基本作用就是充電與放電，但由這種基本充放電作用所延伸出來的許多電路現象，使得電容器有著種種不同的用途，例如在電動馬達中，用它來產生相移；在照相閃光燈中，用它來產生高能量的瞬間放電等等。而在電子電路中，電容器不同性質的用途尤多，這許多不同的用途，雖然也有截然不同之處，但因其作用均來自充電與放電。電容量的測量是電子測量中最基本的參數測量，要求有一定的精確度，同時要求測量的量程要寬，測量的速度要快。因此，設計可靠、安全、便捷的電容測試儀具有極大的現實必要性。電容的重要性是顯而易見的，在生活生產中都離不了電容器。所用的電器，生產中的機械設備，如果沒有了電容都將無法繼續使用。雖然他只是一個不起眼的小配件，但他是不能或缺的。可以想象要是在生產生活中沒有了電容，生產無法繼續生活將缺少太多的色彩。12課題選題背景在設計的過程中，往往需要用到很多電容，電阻等器件。然而在使用過程中，由于時間和管理的疏忽經常會把器件的容量標簽丟失，以至于無法得知器件的容量。而且在一些廢電路板上有很多也可以使用但又記不得容量的器件，要是扔了又覺得很浪費。在實際操作中，對電容的測量也存在許多麻煩，數值的表現也不夠直觀。為此，查閱資料，根據所學的知識，設計了一個數字電容測試儀，只要接入被測電容，打開開關以后，就能直接在屏幕上顯示出電容的大小，方便在以后的實驗中對電容的使用。現在作為學生所接觸到的僅僅停留在學校的實驗和設計中，還不曾接觸的工業生產和商業交易中，更大批量的器件都會被丟棄浪費。這不止是對資源的浪費，還是對環境的一種破壞。所以回收利用不僅是一種節約也是一種環保。所以，可以直接對電容量進行測量的電容表在更多的范圍中應該得到更加充分的應用。13課題研究內容本課題通過分小組協作的模式展開，同學分別負責整個系統的硬件終端設計，軟件終端設計。本設計以STC89C52單片機為控制器，通過單片機測量電容的充電時間來計算電容值。在基準電壓一定時電容量和電容充放電時間成正比，通過電源給被測電容器充電，充電開始給單片機一個信號使單片機開始計數，充電到基準電壓值后通過比較器給單片機一個信號使單片機停止計數，然后把計數值轉化成電容量。其硬件終端設計的主要內容如下電的原理圖設計。熟悉系統中各個單元電路的功能，按功能進行元器件型號的篩選分類，理出相應的原理圖器件清單。開始根據要求設計電路的原理圖用ALTIUMDESIGNER軟件對原理圖進行繪制。其中所應用到的創建項目、建立庫文件、設置電路圖紙尺寸以及版面、添加元件庫、放置元器件、元器件布線、放置網絡標號、元器件的參數設置及添加封裝等。PCB印制板圖繪制。利用ALTIUMDESIGNER軟件構建PCB文件，設置PCB的各種參數后將原理圖導入到PCB文件中，形成初步構局，通過調整元件的位置進行簡單的布局，采用自動布線和手工布線結合使PCB中的布局合理美觀。再對PCB圖進行淚滴和覆銅。形成最終的PCB圖。使用相應的元器件，參照原理圖完成電路板的焊接。本課題通過硬件和軟件設計的搭配，通過不斷的調試和修改最終實現電容測量的功能。第2章系統總體結構21硬件設計211主控芯片圖21STC89C52實物圖STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程FLASH存儲器。STC89C52使用經典的MCS51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程FLASH，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能8K字節FLASH，512字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KBEEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外STC89X52可降至0HZ靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHZ，6T/12T可選。其特性可以總結如下1增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統80512工作電壓55V33V（5V單片機）/38V20V（3V單片機）3工作頻率范圍040MHZ，4用戶應用程序空間為8K字節5片上集成512字節RAM6ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RXD/P30,TXD/P31）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片7具有EEPROM功能8共3個16位定時器/計數器。即定時器T0、T1、T29通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現多個UART10PDIP封裝STC89C52在本系統中所使用的引腳功能說明P1端口（P10P17，18引腳）P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。RST（9引腳）復位輸入。當輸入連續兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作。P3端口（P30P37，1017引腳）P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。XTAL2（18引腳）振蕩器反相放大器的輸入端。XTAL1（19引腳）振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。VSS（20引腳）接地P0端口（P00P07，3932引腳）P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。VCC（40引腳）電源電壓2121602液晶顯示圖22LCD1602液晶顯示屏實物圖1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規模集成電路直接驅動、易于實現全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。液晶顯示器的分類液晶顯示的分類方法有很多種，通常可按其顯示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據驅動方式來分，可以分為靜態驅動、單純矩陣驅動和主動矩陣驅動三種。其工作特性如下33V或5V工作電壓，對比度可調內含復位電路提供各種控制命令,如清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能有80字節顯示數據存儲器DDRAM內建有192個5X7點陣的字型的字符發生器CGROM8個可由用戶自定義的5X7的字符發生器CGRAM213LM324運算放大器芯片圖23LM324實物圖LM324由四個獨立的，高增益，內部頻率補償運算放大器構成，其中專為從單電源供電的電壓范圍經營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨立的電源電壓的幅度。應用領域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統的運算放大器現在可以更容易地在單電源系統中實現的電路。例如，可直接操作的LM324，這是用來在數字系統中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的15V電源標準的5V電源電壓。特點如下1短路保護輸出2真差動輸入級3可單電源工作3V32V4低偏置電流最大100MA5每封裝含四個運算放大器6具有內部補償的功能7共模范圍擴展到負電源8行業標準的引腳排列9輸入端具有靜電保護功能21474LS138譯碼器芯片圖2474LS138實物圖74LS138為3線8線譯碼器共有54LS138和74LS138兩種型式，其主要電特性的典型值如下74LS138傳播延遲時間22NS功耗32MW其工作原理當一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/G2A和/G2B）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。利用G1、/G2A和/G2B可級聯擴展成24線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯擴展成32線譯碼器。若將選通端中的一個作為數據輸入端時，138還可作數據分配器。其工作原理如下當一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（/E2和/E3）為低電平時，可將地址端（A0、A1、A2）的二進制編碼在Y0至Y7對應的輸出端以低電平譯出。比如A2A1A0110時，則Y6輸出端輸出低電平信號。利用E1、E2和E3可級聯擴展成24線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯擴展成32線譯碼器。若將選通端中的一個作為數據輸入端時，74LS138還可作數據分配器。可用在8086的譯碼電路中，擴展內存。22軟件設計221C簡介C語言是一種計算機程序設計語言，它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為工作系統設計語言，編寫系統應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。它的應用范圍廣泛，具備很強的數據處理能力，不僅僅是在軟件開發上，而且各類科研都需要用到C語言，適于編寫系統軟件，隨著微型計算機的日益普及,出現了許多C語言版本。由于沒有統一的標準,使得這些C語言之間出現了一些不一致的地方。為了改變這種情況,美國國家標準研究所ANSI為C語言制定了一套ANSI標準，成為現行的C語言標準。222KEIL簡介KEILUVISION2是51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，使用接近于傳統C語言的語法來開發，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發周期,他還能嵌入匯編，可以在關鍵的位置嵌入，使程序達到接近于匯編的工作效率。KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發提供了C語言環境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產品。C51已被完全集成到UVISION2的集成開發環境中，這個集成開發環境包含編譯器，匯編器，實時操作系統，項目管理器，調試器。UVISION2IDE可為它們提供單一而靈活的開發環境。其優點如下KEILC51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發，體會更加深刻。KEILC51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全WINDOWS界面。223PROTEUS簡介PROTEUS是世界上著名的EDA工具仿真軟件，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了CORTEX和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、KEIL和MPLAB等多種編譯器。PROTEUS軟件不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞。在本設計中，通過PROTEUS構建了電路原理圖，與程序所連接進行了對本系統的仿真，對于在接入硬件調試之前起到了很大的幫輔作用。在使用該軟件的最初期，由于對軟件功能的不熟悉，許多功能都不會使用，構建原理圖時，許多器件也無法找到，通過學習和查詢，逐漸掌握了該軟件的使用方法，慢慢的完成了原理圖的構建和仿真。23系統工作原理圖25系統工作原理圖本電路在加入待測電容后，系統將對加入的電容檢測是否存有剩余電量。通過檢測，電容如有剩余電量，則通過單片機選通放電三極管Q7，將電容上的電放掉，放電完畢之后。74LS138譯碼電路完成對電容的測量前的放電及量程的轉換。電路選通Q1Q5中的一個三極管，經過一定的電阻（本系統中選用1M100K10K1K100），對電容進行充電；同時，打開單片機的計數器0，開始計數。然后單片機等待外部中斷0的發生。當電容充電達到參考電壓值時，比較器翻轉，該電壓值與一個固定電壓值做比較，當兩個電壓進行比較時，當“”端電壓高于“”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“”端電壓高于“”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。由此來確定所測電容是否充電完畢。發出充電完成信號到中斷0端口，單片機響應中斷，停止計數器0，并關閉充電電路，接通放電電路。接著讀出計數器0的值，進行計算，適當的調整后，輸出到LCD上顯示。第3章電路原理分析設計31電路板總體結構量程轉換電路單片機STC89C52電源電路電源指示燈電容測量電路液晶顯示按鍵電路串口通信電路晶振電路復位電路MAX232DB974LS138LM324圖31電路板總體架構圖本系統采用電容充放電原理，使電容充電并達到基準電壓后，電壓比較器會輸出一個充電停止信號送給單片機，單片機根據計數器記錄的充電時間計算出電容的值送給液晶顯示。系統硬件電路包括單片機主控電路、電容測量電路、量程轉換電路、顯示及按鍵電路、電源電路。本系統的電路板總體結構框圖。電路板以STC89C52單片機為核心，各功能模塊電路進行繪制。其中供電系統是選用5V交流供電,電源指示燈則顯示電源的開關情況，當系統通電時指示燈亮。當系統未通電時指示燈不亮。串口通信電路則包括了MAX232芯片，DB9接頭。按鍵電路則由兩個獨立按鍵組成。液晶接口是單排座16針接口。量程轉換電路由74LS138芯片和充電電路及放電電路組成。電容測量電路則由LM324芯片和電容測量電路構成。32電路板各模塊功能分析321電源電路模塊分析圖32電源電路原理圖本電路使用直插式電源。該電源由220V輸入，5V輸出供電路板所需的電源。該電源插口有三個管腳。1腳接VCC，23腳接GND其額定工作功率為I/PAC100240V,AC5060HZ322串口通信電路模塊分析圖33串口通信電路原理圖該電路由DB9接頭和MAX232芯片構成。DB9接頭在本電路中使用到三條接口，2腳接RXD，3腳接TXD，5腳接VCC。MAX232芯片則分別接入了四個22UF的電解電容，其1314腳分別接TXDRXD，1112腳與單片機的P30和P31口相接。該兩部分都成了本電路的串口通信電路。323液晶顯示電路模塊分析圖34液晶顯示電路原理圖該電路使用LCD1602液晶顯示屏用作顯示輸出。本電路中，LCD1602有八個數據引腳（D0D7）與STC89C52相連。用于接收指令和數據；STC89C52通過RS,RW,和E這三個端口控制LCD模塊。RSWCU寫入數據或者指令選擇段。NCU要寫入指令時，使RS為低電平；MCU要寫入數據時，使MCU為高電平。3腳則與一個阻值為10KV的可調電阻相接，用于對顯示屏的明暗度進行調節。324按鍵電路模塊分析圖35按鍵電路原理圖本電路使用的是獨立按鍵電路，由兩個按鍵S1S2分別與單片機的P36,P37相連接。325放電電路模塊分析圖36放電電路原理圖該電路中放電電路由電阻R20及NPN三極管Q7所構成。當所測電容中存有剩余電量時，74LS138芯片Y0口輸出一個低電平，電路將接通放電電路。剩余電量經電阻R20，及三極管Q7流過，通過回路放空。當剩余電量放空時，則Y0口輸出一個高電平，通知單片機發出外部中斷，由此放電電路關閉。326量程轉換電路模塊分析圖37量程轉換電路原理圖該電路由74LS138芯片及量程轉換電路構成。量程轉換電路有5個三極管與若干不同阻值的電阻構成。5個PNP三極管的發射極與VCC連接，基極測分別接入一個阻值為1K歐姆電阻,該電阻的另外一段則接入了74LS138芯片的Y1Y5。集電極則分別接入了不同阻值的5個電阻。本系統中選用1M100K10K1K100。在本電路中，其工作原理測量開始由單片機控制譯碼電路給被測電容放電，放電完成后再有單片機控制譯碼電路選擇充電電阻來完成量程自動轉換。當74LS138芯片的A2A0口輸出電信號010時，電路將接通Y0Y5中的任意一端。待測電容通過接通的一條電路，經過三極管和所連接的不同阻值的電阻對其進行充電。由于每次充電會選通不同的電路，所以對待測電容充電的時間也會有所不同。通過每次充電的所需的時間，從中選取一個最為合適的作為最終選定量程。327電容測量電路模塊分析圖38電容測量電路原理圖該電路由電容測量模塊和LM324芯片構成。當待測定容放完剩余電量，選定量程后，系統通過測量電路開始對待測電容進行充電，測量。電容測量電路工作原理量程轉換利用74LS138芯片選擇充電電阻來完成。測量電路以電容的充電規律作為測量依據，電源電壓E給被測電容CX充電，CX兩端電壓隨充電時間的增加而上升。當充電時間T等于RC時間常數時，CX兩端電壓約為電源電壓的632。即0632E。電容測試儀就是以該電壓作為測試基準電壓，測量電容器充電達到該電壓的時間，便能知道電容器的容量。例如，設電阻R的阻值為1K。兩端電壓上升到0632E所需的時間為1MS，那么由公式RC可知C。的容量為1微法。根據電容的充電公式，可以計算出電容在充電到電壓時充電時間跟電容的容量和電阻成正比，跟充電電源電壓無關。工作過程如下首先，通過單片機使74LS138芯片選通放電三極管Q，將電容上的電放掉，單片機控制74LS138芯片選通Q1Q5中的一個三極管，經過一定的電阻，對電容進行充電，同時，打開單片機的計數器0，開始計數。然后單片機等待外部中斷0的發生。當電容充電達到參考電壓值時，比較器翻轉，發出充電完成信號到中斷0端口，單片機響應中斷，停止計數器0，并關閉充電電路。接著讀出計數器0的值，進行計算，適當的調整后，輸出到LCD上顯示。本電路通過一個電壓比較器來檢測電容充電的終止。由電阻R14，R21及R22構成一個分壓器，產生一個基準電壓。當電容兩端電壓超過比較電壓時，比較器翻轉，產生一個低電平到單片機的中斷0INT0引腳，通知單片機電容充電完成。該處用到了LM324芯片，其內部有四個運算放大器，系統中用到了其中的兩個分別為LM324A和LM324B。在電路對電容進行充電時，LM324用來將所充的電量和額定的電壓做比較。在LM324中的兩個運算放大器之間加入了兩個1K歐姆電阻，用來對LM324輸出的波形進行穩定調整。該部分所輸出的波形，用MULTISIM軟件做出了仿真。圖39LM324波形仿真圖第4章原理圖繪制及PCB板制作41單元電路的原理圖設計411作圖工具ALTIUMDESIGNER09簡介ALTIUMDESIGNER基于一個軟件集成平臺，把為電子產品開發提供完整環境所需的工具全部整合在一個應用軟件中。ALTIUMDESIGNER包含所有設計任務所需的工具原理圖和HDL設計輸入、電路仿真、信號完整性分析、PCB設計、基于FPGA的嵌入式系統設計和開發。另外可對ALTIUMDESIGNER工作環境加以定制，以滿足用戶的各種不同需求。ALTIUMDESIGNER在單一設計環境中集成板級和FPGA系統設計、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開發以及PCB版圖設計、編輯和制造。其特點ALTIUMDESIGNER提供了一個強大的高集成度的板級設計發布過程，它可以驗證并將您的設計和制造數據進行打包，這些操作只需一鍵完成，從而避免了人為交互中可能出現的誤差。系統簡化規范了發布設計項目的流程，或者更具體地說，是那些項目中定義的配置，直觀，簡潔而且穩定。更重要的是，該系統可以被直接鏈接到后臺版本控制系統。412原理圖的設計流程啟用畫圖工具設置工作環境元器庫構建及裝載置放元器件及布局原理圖布線原理圖錯誤檢查及修改原理圖構建完成圖41原理圖設計流程圖1啟用畫圖工具啟動ALTIUMDESIGNER進入原理圖設計，由電路圖的尺寸對圖紙的大小設計相應的參數。2設置工作環境設置ALTIUMDESIGNER的工作環境，包括設置格點大小，背景顏色等等，其他參數可以使用系統默認值。3元器庫構建及裝載根據電路原理圖內容的需要，自己制作元器件庫以及加入了其他可使用的器件庫。將元器件庫添加到庫文件中，將元器件從庫文件取出放置到圖紙上，并對放置零件的序號、零件封裝進行定義和設定等工作。根據所設計的要求的不同，所需要的元器件及其封裝也是不相同的。在本設計中，使用到了由自己構建的元器件庫和其他已有的可用元器件庫。對我在原理圖的設計過程中，提供了很大的方便。4置放元器件及布局根據設計的題目要求，將庫文件中的元器件依次放置在圖紙中，進行合理的布局（同一模塊的器件選擇盡量放置于各自的附近），其中自動標注元器件。根據課題要求設置元器件的參數屬性和網絡標識的放置。5原理圖布線根據原理圖的構造，將圖紙上的元件用導線、符號連接起來，構成一個完整的原理圖，將初步繪制好的電路圖作進一步的調整和修改，使得原理圖更加規范和美觀。6原理圖錯誤檢查及修改對所構成的原理圖進行連線的檢查，檢查是否有連接錯誤或者沒連接成功的情況，還有對元器件的管腳是否有接錯的情況。如有錯誤，則及時修改。7原理圖構建完成在檢錯完成后，原理圖構建完成。413器件庫的制作在本設計中，所使用的器件庫分別有軟件自帶的，網絡下載的以及自己動手繪制的相關器件的器件庫。使用作圖軟件ALTIUMDESIGNE自己繪制相關元器件及器件庫，具體的操作步驟如下1創建原理圖庫圖42原理圖庫創建創建原理圖庫后，可以對本設計所需的元器件進行制作和編輯。2原理圖庫的編輯圖43原理圖庫設計元器庫編輯管理器界面與原理圖設計編輯器界面相似。主要由元件庫管理器，主工具欄，菜單，使用工具欄，編輯區等組成。除了主工具欄以外，元件庫編輯管理器提供了兩個重要的工具欄，即繪制圖形工具欄和IEEE工具欄。3原理圖庫參數設置圖44原理圖庫參數設置對編輯器進行參數的設置，其中包括界面的大小，顏色以及網格的應用等等。4繪制元器件圖45元器件的繪制引腳參數設置圖46PIN特性參數設置該部分主要對繪制完成的元器件的引腳參數進行設置，主要是引腳標號和引腳的標識。4完成保存圖46文件保存界面完成原理圖的繪制，將其保存。414元器件清單原理圖元器件清單是按照本設計要求具體制定的，其中包括了各個器件的參數設置，標號以及其封裝信息。圖47元器件清單截圖42仿真及萬能板電路焊接、調試421PROTEUS的仿真在本系統設計初期，通過PROTEUS軟件對電路進行仿真實驗。通過該軟件，對電路的LCD1602液晶顯示驅動以及按鍵電路的功能實現進行了仿真實現。對本系統的設計工作進程起到了關鍵的作用。以下為PROTEUS軟件仿真的原理圖設計XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0/AD0391/1802/237P3/AD3604/4355/54P06/AD637/72P10/T21/EX2123P3414556P16778P30/RXD101/T32/IN012P/IT1334/014P37/RD176/W65/T1527/A1528P20/A8211/92/023P3/A1424/2255/136P6/47UAT89C52A1B2C3E162435Y01514213Y324150Y6977U274LS138D71463D5124D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCD1M06L234567891RP1RESPACK8VCGNDQ1850Q2850Q3850Q4850Q5850R71KR81KR91KR10KR1K13M140K150K16K170C62PFC72PFX1GNDR19KR201KR211KGNDR21KQ8850R231KR241KR251KR267KC101UFR271KQ1805R291KR301/2WR11KVCVCC10PFR301R192U3AIP54RV210KU3DIPCX10FENTRABCD2141U3ALM32412131441U3DLM324Q6NPVC圖48PROTEUS仿真原理圖截圖該圖為PROTEUS軟件對LCD1602液晶顯示驅動的模擬仿真圖圖49PROTEUS仿真截圖422NIMULTISIM11仿真MULTISIM是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以WINDOWS為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。本電路中，用其對系統的充電及放電電路進行仿真。當接通不同的電路時，其產生的波形發生了明顯的跳動，說明該電路可對電容進行充放電。圖410MULTISIM仿真電路截圖該圖為系統充電電路及放電電路在MULTISIM軟件上的仿真，取三個不同的點對電壓進行測量，LM324兩個部分的輸出端接入一個示波器對其波形的跳動進行顯示。當仿真進行時，電路各個節點的電壓都產生了不同。說明了LM324運算放大器對電壓進行了比較和輸出。本電路從左至右，于三個不同的節點上加入了三個萬用表，用于對三個點的電壓進行檢測。（數據顯示順序由上往下對應電路圖中的萬用表由左往右）。圖411MULTISIM仿真截圖423焊接萬能板在萬能板焊接的初期，對電源的5V輸入能否滿足其正常工作所需的電壓做了一些實驗對其進行驗證。將LM324通過5V供電，電壓輸出端為377V，此時的反相端口則為18V。電壓輸出端為376V，此時的反相端口則為3V。由此LM324在5V供電時，都能在其額定的電壓內，所以沒有為LM324做單獨電壓，而是通過整個系統的5V電源直接供電。下圖為驗證LM324供電的實物圖圖412檢測電路實物截圖本系統設計當中，通過萬能板的焊接做成了初期的硬件，用于對程序的調試。經過對原理圖的研究，電路可行性的考證之后。購買了萬能板及電路所需的器件，芯片以及其他各種相關的零件，通過不斷的修改和焊接。終于完成了萬能板的焊接，并且通過調試，使其可以正常工作。圖413萬能板實物截圖43PCB印制板設計與制作431設置PCB設計環境在從原理圖編輯器轉換到PCB編輯器之前，需要創建一個有最基本輪廓的空白PCB文件。1新建PCB文件圖413創建PCB文件截圖截圖2PCB參數設置圖414板選項框執行DESIGNBOARDOPTIONS命令，設置版圖的參數。執行該命令后將會出現如圖對話框，然后就可以正式的PCB元件導入，布局以及布線。3認識PCB的層PCB各層的含義如下（1）SIGNALLAYER信號層信號層主要用于布置電路板上的導線（2）INTERNALPLANELAYER內部電源/接地層該類型的層僅用于多層板,主要用于布置電源線和接地線我們稱雙層板,四層板,六層板,一般指信號層和內部電源/接地層的數目（3）MECHANICALLAYER機械層一般用于設置電路板的外形尺寸,數據標記,對齊標記,裝配說明以及其它的機械信息這些信息因設計公司或PCB制造廠家的要求而有所不同執行菜單命令能為電路板設置更多的機械層另外,機械層可以附加在其它層上一起輸出顯示（4）SOLDERMASKLAYER阻焊層在焊盤以外的各部位涂覆一層涂料,如防焊漆,用于阻止這些部位上錫阻焊層用于在設計過程中匹配焊盤,是自動產生的。（5）PASTEMASKLAYER防護層它和阻焊層的作用相似,不同的是在機器焊接時對應的表面粘貼式元件的焊盤。（6）KEEPOUTLAYER禁止布線層用于定義在電路板上能夠有效放置元件和布線的區域在該層繪制一個封閉區域作為布線有效區,在該區域外是不能自動布局和布線的（7）SILKSCREENLAYER絲印層絲印層主要用于放置印制信息,如元件的輪廓和標注,各種注釋字符等（8）MULTILAYER多層電路板上焊盤和穿透式過孔要穿透整個電路板,與不同的導電圖形層建立電氣連接關系,因此系統專門設置了一個抽象的層,多層一般,焊盤與過孔都要設置在多層上,如果關閉此層,焊盤與過孔就無法顯示出來（9）DRILLLAYER鉆孔層鉆孔層提供電路板制造過程中的鉆孔信息如焊盤,過孔就需要鉆孔ALTIUMDESIGNER提供層堆棧管理器對各層屬性進行管理。在層堆棧管理器，可自定義層的結構，看到層堆棧的立體效果。對電路板工作層的管理可以執行DESIGNLAYERSTACKMANAGER命令。圖415層堆棧管理器窗口4定義層和設置層的顏色如果查看PCB工作區的地步，會看見一系列的標簽。PCB編輯器是一個多層環境，在設計印制電路板時，往往會遇到工作層選擇的問題，可以在不同的工作層上進行不同的操作。當進行工作層設置時，可以執行PCB設計管理器的DESIGNBOARDLAYER命令，將彈出如圖對話框，其中顯示用到的信號層，平面層，機械層以及層的顏色和圖紙顏色。圖415視圖配置窗口432元件布局在設計中，布局是一個重要的環節。布局結果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認為，合理的布局是PCB設計成功的第一步。打開PCB文件執行工具器件布局自動布局彈出下列窗口圖416PCB自動生成確認窗口點擊YES后生成PCB布局圖，經過對元器件的擺放和布局，形成以下界面圖417PCB元器件布局窗口1要有合理的走向如輸入/輸出，交流/直流，強/弱信號，高頻/低頻，高壓/低壓等，它們的走向應該是呈線形的或分離，不得相互交融。其目的是防止相互干擾。最好的走向是按直線，但一般不易實現，最不利的走向是環形。2選擇好接地點小小的接點不知有多少工程技術人員對它做過多少論述，足見其重要性。3合理布置電源，電容一般在原理圖中僅畫出若干電源，電容，但未指出它們各自應接于何處。其實這些電容是為開關器件而設置的，布置這些電容就應盡量靠近這些元部件，離得太遠就沒有作用了。4線條有講究有條件做寬線決不做細；高壓及高頻線應園滑，不得有尖銳的倒角，拐彎也不得采用直角。地線應盡量寬，最好使用大面積覆銅，這對接地點問題有相當大的改善。5有些問題雖然發生在后期制作中，但卻是PCB設計中帶來的，它們是過線孔太多，沉銅工藝稍有不慎就會埋下隱患。所以，設計中應盡量減少過線孔。同向并行的線條密度太大，焊接時很容易連成一片。所以，線密度應視焊接工藝的水平來確定。焊點的距離太小，不利于人工焊接，只能以降低工效來解決焊接質量。433布線，覆銅PCB的設計環節當中，設計規則是不可缺少的一部分。因為它關系到PCB中布線，覆銅的好壞。所以我們得先進行規則和約束的設置。執行設計規則，根據要求設置其約束數據，如下圖所示圖418PCB規則設置框規則設置對話框可以對，線寬（線寬決定通過的電流大小）線間距以及各種孔的大小等不同的參數進行設置。在本系統設計時PCB中布線時的線寬為0635MM，各孔徑的尺寸設定為0889MM。1PCB的布線布線是整個PCB設計中最重要的工序，該步驟將會影響PCB板的性能優劣。在PCB的設計過程中，布線一般有三種層次的劃分首先是布通。這是PCB設計時的最基本的要求。如果線路沒有布通，PCB板將無法運行，這將會是一塊不成功的板子。其次是電器性能的滿足。這是衡量一塊電路板是否合格的標準。這是在布通之后，調整布線，使其能達到最佳的電器性能。接著就是美觀。布線要整齊劃一，不能縱橫交錯毫無章法。這些都要在保證電器性能和滿足其他要求的情況下得以實現。布線參數設定完畢后，開始布線。執行自動布線全部布線的過程中會彈出相應的信息框，主要是顯示布線中每個部分的完成情況圖419布線信息框下圖為自動布線后的PCB截圖圖420PCB板截圖2PCB的覆銅覆銅，就是將PCB上閑置的空間作為基準面，然后用固體銅填充，這些銅區又稱為灌銅。覆銅的意義在于，減小地線阻抗，提高抗干擾能力；降低壓降，提高電源效率；還有，與地線相連，減小環路面積。覆銅需要處理好幾個問題一是不同地的單點連接，做法是通過0歐電阻連接；二是晶振附近的覆銅，電路中的晶振為一高頻發射源，做法是在環繞晶振敷銅，然后將晶振的外殼另行接地。三是孤島問題，如果覺得很大，那就定義個地過孔添加進去也可以解決。具體的覆銅步驟如下點擊下腳的TOPLAYER和BOTTOMLAYER設置選項圖421顏色設置選項框對PCB圖的四個頂角進行相應的頂層進行銅膜走線，生成下圖圖422頂層銅膜走線圖點擊BOTTOMLAYER對PCB圖的四個頂角進行相應的底層進行銅膜走線，生成下圖圖423底層銅膜走線圖制成PCB電路板圖424PCB電路板434PCB板的焊接1焊接工具的選用普通電烙鐵普通電烙鐵只適合焊接要求不高的場合使用。如焊接導線、連接線等。吸錫器吸錫器實際是一個小型手動空氣泵，壓下吸錫器的壓桿，就排出了吸錫器腔內的空氣；釋放吸錫器壓桿的鎖鈕，彈簧推動壓桿迅速回到原位，在吸錫器腔內形成空氣的負壓力，就能夠把熔融的焊料吸走。2插件元件焊接的步驟21插入將插件元件插入電路板標示位置過孔中，與電路板緊貼至無縫為止。如未與電路板貼緊，在重復焊接時焊盤高溫易使焊盤損傷或脫落，物流過程中也可導致焊盤損傷或脫落。22預熱烙鐵與元件引腳、焊盤接觸，同時預熱焊盤與元件引腳，而不是僅僅預熱元件，此過程約需1秒鐘時間。23加焊錫焊錫加焊盤上（而不是僅僅加在元件引腳上），待焊盤溫度上升到使焊錫絲熔化的溫度，焊錫就自動熔化。不能將焊錫直接加在烙鐵上使其熔化，這樣會造成冷焊。24加適量的焊錫，然后先拿開焊錫絲。25焊后加熱拿開焊錫絲后，不要立即拿走烙鐵，繼續加熱使焊錫完成潤濕和擴散兩個過程，直到是焊點最明亮時再拿開烙鐵，不應有毛刺和空隙。26冷卻在冷卻過程中不要移動插件元件3通電檢查在外觀檢查結束以后認為連線無誤，在通過使用萬用表對電路進行精確的檢查后，才可進行通電檢查，這是檢驗電路性能的關鍵。如果不經過嚴格的檢查，通電檢查不僅困難較多，而且可能損壞設備儀器，造成安全事故。例如電源連接線虛焊，電路連接短路等問題。圖425焊接完成的PCB電路板第5章