1、 摘 要目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和維修中，電容測量這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。本文提出了以MCS-51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)電容測量的方法。并介紹了測量原理并給出了相應(yīng)的電路與軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：電容測試儀；單片機(jī)；測量16 / 18目錄1概述11.1 設(shè)計(jì)目的和意義11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求12 硬件電路設(shè)計(jì)與其描述12.1 設(shè)計(jì)方案1 2.2 原理框圖.22.3 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)分析22.3.1 A

2、T89C51單片機(jī)工作電路22.3.2 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)復(fù)位電路32.3.3 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)時(shí)鐘電路42.3.4 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)按鍵電路42.3.5 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)555芯片電路52.3.6 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)顯示電路62.4 各部分電路連接成整個(gè)電路圖92.5 系統(tǒng)所用元器件102.6 PCB制圖.113 軟件流程與程序設(shè)計(jì)113.1 系統(tǒng)模塊層次結(jié)構(gòu)圖113.2 程序設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)123.3 軟件設(shè)計(jì)流程13 3.4 源程序代碼134 系統(tǒng)調(diào)試與仿真175 總結(jié)185.1 本系統(tǒng)存在的問題與改進(jìn)措施185.2 心得體會

3、18參考文獻(xiàn)191設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)目的和意義目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和維修中，電容測量這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，一個(gè)好的電子產(chǎn)品應(yīng)具備一定規(guī)格年限的使用壽命。因此在生產(chǎn)這一環(huán)節(jié)中，對其產(chǎn)品的檢測至關(guān)重要，而檢測電子產(chǎn)品是否符合出產(chǎn)要求的關(guān)鍵在于檢測其部核心的電路，電路的好壞決定了電子產(chǎn)品的好與壞，而電容在基本的電子產(chǎn)品的集成電路部分有著其不可替代的作用。同樣，在維修人員在對電子產(chǎn)品的維修中，電路的檢測是最基本的，有時(shí)需要檢測電路中各個(gè)部件是否工作正常，電容器是否工作正常。因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，

4、便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（1）采用MCS-51系列單片機(jī)以與多諧振蕩器進(jìn)行電容測量儀設(shè)計(jì)；（2）能測試0.10.99UF的電容，其精確度為0.01UF;（3）用2行16個(gè)字的LCD1602顯示測量結(jié)果。2 基于單片機(jī)電容測量硬件設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)選擇基于AT89C51單片機(jī)和555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路的電容測量方法。這種電容測量方法主要是通過一塊555芯片來測量電容，讓555芯片工作在直接反饋無穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下，555芯片輸出一定頻率的方波，其頻率的大小跟被測量的電容之間的關(guān)系是：f=0.772/（R*Cx），我們固定 R 的大小，其公式就可以寫為

5、：f=k/Cx，只要我們能夠測量出555芯片輸出的頻率，就可以計(jì)算出測量的電容。計(jì)算頻率的方法可以利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0和中斷INT0，配合使用來測量，系統(tǒng)框圖見圖1所示。圖中給出了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由四個(gè)主要部分組成：單片機(jī)和晶振電路設(shè)計(jì)、555芯片電路設(shè)計(jì)、顯示電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)。2.2原理框圖圖1 系統(tǒng)框圖2.3 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)分析2.3.1 AT89C51單片機(jī)工作電路單片機(jī)電路是本設(shè)計(jì)的核心部分，本設(shè)計(jì)選用了常用的AT89C51單片機(jī)。AT89C51是低功耗、高性能、經(jīng)濟(jì)的8位CMOS微處理器，工作頻率為024MHz，置4K字節(jié)可編程只讀

6、閃存，128x8位的部RAM，16位可編程IO總線。AT89C51工作的最簡單的電路是其外圍接一個(gè)晶振和一個(gè)復(fù)位電路，給單片機(jī)接上電源和地，單片機(jī)就可以工作了。其最簡單的工作原理圖如圖2所示。圖2工作原理圖2.3.2基于AT89C51電容測量系統(tǒng)復(fù)位電路MCS-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。MCS-51單片機(jī)片復(fù)位，復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到部復(fù)位操作所需要的信號。本設(shè)計(jì)采用按鍵手動(dòng)脈沖復(fù)位方式，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路如圖3所示。圖3復(fù)位電路 一般

7、的，單片機(jī)的復(fù)位速度比外圍I/O快些。若RC上電復(fù)位電路接MCS-51單片機(jī)和外圍電路復(fù)位端，則能使系統(tǒng)可靠地同步復(fù)位。為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在初始化程序中應(yīng)用到一定的復(fù)位延遲時(shí)間。復(fù)位電路軟件程序或者硬件發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號，控制MCS-51單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序，重新執(zhí)行軟件程序。此電路的輸出端RESET接在單片機(jī)的復(fù)位引腳。2.3.3 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)時(shí)鐘電路時(shí)鐘在單片機(jī)中非常重要，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是部時(shí)鐘方式，另一種為外部

8、時(shí)鐘方式。 本設(shè)計(jì)使用部時(shí)鐘方式，其部時(shí)鐘方式電路圖如圖4所示。圖4部時(shí)鐘方式電路圖 MCS-51單片機(jī)部有一個(gè)用與構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器電路。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30PF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率的圍通常是在1.2MHz12MHz之間。很設(shè)計(jì)中單片機(jī)選擇12MHz的石英晶體。2.3.4 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)按鍵電路按鍵是實(shí)現(xiàn)人機(jī)

9、對話的比較直觀的接口，可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)人們想讓單片機(jī)做的不同的工作。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型開關(guān)，平時(shí)按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵是它們閉合。圖5就是一種比較典型的按鍵電路，在按鍵沒有按下的時(shí)候，輸出的是高電平，當(dāng)按鍵按下去的時(shí)候，輸出的低電平。圖5按鍵電路2.3.5 基于AT89C51電容測量系統(tǒng)555芯片電路對于555電路等效看成一個(gè)帶放電開關(guān)的RS觸發(fā)器，這個(gè)特殊的觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端：閾值端TH可看成是置零端R，要求高電平，觸發(fā)端R可看成置位端低電平有效。它只有一個(gè)輸出端Vo，Vo可等效為觸發(fā)器的Q端。放電端DIS可看成由部放電開關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，放電開關(guān)由觸發(fā)器的端控

10、制：Q=1時(shí)DIS端接地；Q=0時(shí)，DIS端懸空。此外，這個(gè)觸發(fā)器還有復(fù)位端MR加上低電平(0;mm-) for(i=100;i0;i-);/*檢查忙否*/void Checkstates() unsigned char dat; RS=0; RW=1; doEN=1;/下降沿 _nop_();/保持一定間隔_nop_(); dat=DATA; _nop_();_nop_(); EN=0; while(dat&0x80)=1);/*LCD寫命令函數(shù)*/void wcomd(unsigned char cmd) Checkstates(); RS=0; RW=0; DATA=cmd; EN=1;

11、 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*LCD寫數(shù)據(jù)函數(shù)*/void wdata(unsigned char dat) Checkstates(); RS=1; RW=0; DATA=dat; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*初始化*/void LCDINIT() Delay1ms(15); wcomd(0x38);/功能設(shè)置 Delay1ms(5); wcomd(0x38);/功能設(shè)置 Delay1ms(5); wcomd(0x01);/清屏 Delay1ms(5); wcomd

12、(0x08);/關(guān)顯示 Delay1ms(5); wcomd(0x0c);/開顯示，不開光標(biāo) /*顯示函數(shù)*/void Display(void) /顯示函數(shù) unsigned char i,j; unsigned char a12=0X4D,0X45,0X41,0X53,0X55,0X52,0X45,0X4D,0X45,0X4E,0X54,0X53; /顯示measurements LCDINIT(); for(i=0;i12;i+) /寫顯示第一行 wcomd(0x80+i); Delay1ms(1); wdata(ai); Delay1ms(1); for(j=0;j5000) /設(shè)置最

13、長等待時(shí)間 _reset=0; /最長等待時(shí)間到還沒有中斷，停止555 if(N=1000) /如果計(jì)數(shù)值大于1000，顯示LA，表示應(yīng)換用大一點(diǎn)的量程 b2=0X1C; b3=0X11; b4=0X5E; b5=0X5E; b6=0X5E; b7=0X5E; if(N=100&N1000) b3=0XFE; /計(jì)算電容的大小 b4=N/100; b5=(N/10)%10; b6=0X25; b7=0X16; Display(); /顯示電容的大小 void int0(void) interrupt 0 /第一次中斷開始計(jì)數(shù)，第二個(gè)中斷停止計(jì)數(shù) T_flag=!T_flag; if(T_fla

14、g=1) TR0=1; /開始計(jì)時(shí) if(T_flag=0) TR0=0; /停止計(jì)時(shí) EX0=0; /關(guān)閉中斷 _reset=0; /停止發(fā)出方波 N=TH0*256+TL0; /計(jì)算計(jì)數(shù)器的值 N=N*5/3; TH0=0x00; /恢復(fù)初值 TL0=0x00; 4 系統(tǒng)調(diào)試與仿真講上面所編的C語言程序在Keil uVision3軟件上、編譯后，無誤，并給總電路圖中的單片機(jī)AT89C51加載程序進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如下所示。(1)待測電容C5在0.10.99uf例如C5=0.55uf、0.99uf時(shí)，仿真結(jié)構(gòu)如下圖14所示。A、C5=0.55uf時(shí)仿真圖 B、C5=0.99uf時(shí)仿真圖圖

15、14 仿真圖5 總結(jié) 5.1 本系統(tǒng)存在的問題與改進(jìn)措施本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89C51的計(jì)數(shù)器和中斷配合使用來計(jì)算RC振蕩電路輸出的頻率，設(shè)計(jì)中使R固定不變，從而推算出C的大小。由于單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的值N=065535，為了測量的精度，N的取值一般在1005000，所以所設(shè)計(jì)的電容測量儀的量程受較小。5.2 心得體會 本次課程設(shè)計(jì)是一次非常好的將理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會，通過對電容測試儀的課題設(shè)計(jì)，鍛煉了我的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)了我解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)規(guī)以與電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。本設(shè)計(jì)通過由555芯片和電容電阻組成的振蕩電路來輸出方波，通過單片機(jī)定時(shí)器T0測量其輸出頻率，再通過單片機(jī)軟件編程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算從而得出被測電容的值，再通過LCD1602顯示出其測量值。 系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵，軟件部分是在Keil51的平臺上使用是C語言編寫程序。本系統(tǒng)通過一個(gè)測量按鍵啟動(dòng)整個(gè)測量程序