毕业设计——在线电容测量仪设计.doc
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1、本科毕业论文(设计)论文(设计)题目:在线电容测量仪设计学 院:专 业:班 级:学 号: 学生姓名: 指导教师: 2013年 4 月 6 日贵州大学本科毕业论文(设计)诚信责任书本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文(设计),是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文(设计)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。特此声明。论文(设计)作者签名: 日 期: 目 录摘 要IIIAbstractIV1前 言11.1电容测量仪的发展历史11.2电容测量仪的研究现状21.3本次设计的任务与要求32硬件电路设计及其描述42.1设计方案42.2原理框图52.3单元电路设计分析62
2、.3.1AT89C52单片机功能描述62.3.2STC89C52的主要特性及管脚说明72.3.3AT89C52单片机时钟电路92.3.4AT89C52单片机复位电路102.3.5555多谐振荡器电路112.3.6测量换挡电路132.3.7LCD1602测量显示电路142.3.8系统电源电路172.4各部分电路连接成整体电路图183软件设计与描述203.1软件设计任务203.2软件的基本思路与原理203.3软件设计流程图224PCB与实物制作234.1电路图的绘制234.2PCB板的制作234.3材料清单234.4元器件的检测与安装244.5元器件的焊接254.6系统调试与分析25设计总结26参
3、 考 文 献27致 谢28附录A 程序源代码29附录B 设计原理图36附录C 设计PCB图37在线电容测量仪设计摘 要本文介绍了在线电容测量仪设计与制作的过程。文章首先介绍了在线电容测量仪的选题背景和发展现状,然后设计并分析系统硬件的各单元电路,包括单片机时钟电路、单片机复位电路、555测量电路、系统换挡电路、系统电源电路等;其次则是软件的设计和调试过程。本系统用ST98C52单片机作为中央处理器,以555多谐振荡器作为频率可变的方波发生器,利用测量频率的方式间接测量电容,经过单片机处理得到数据之后交由LCD1602液晶显示。本设计用C语言设计软件,Keil和Proteus两款软件成功模拟仿真
4、后,用Protel99se软件设计为印刷电路板。经过实物的组装调试和焊接,本系统预计可以实现PF、NF、UF三个档位的电容粗略测量,是一种操作简单的傻瓜式电容测量仪。 关键词:电子电路、电容、单片机、555集成定时器。Online capacitance measuring instrument designAbstractThis paper introduces the process of design and production of online capacitance measuring instrument. This article first introduced the
5、background and development status of online capacitance measuring instrument, then design and analysis the each unit circuit of the system hardware, including the microcontroller clock circuit, reset circuit, 555 measuring circuit, system shift circuit, power supply circuit; second is the process of
6、 designing and debugging software. The system used ST98C52 SCM as the central processor, with 555 multivibrator as variable frequency square wave generator, using a method of measuring frequency to indirectly measuring the capacitance. Lastly displaying by LCD1602 after the SCM processing. This desi
7、gn uses C language to design software. After Keil and Proteus two software successfully simulated, we use Protel99se software design for printed circuit board. After the physical assembly debugging and welding, the system can be expected to achieve the rough measurement of PF, NF, UF three stalls ca
8、pacitances,which is a simple fool capacitive measuring instrument.Keywords: electronic circuit , capacitance, microcontroller, 555 integrated timer.1 前 言在电子技术飞速发展的今天,精确测量的地位变得越来越重要,在电子测试和设计领域之中,各类电容的测量已经十分普遍。相应地,测量电容的技术也在各类测量技术和产品研究中应用得十分广泛。简单来说,电子产品在市面上应用得越来越广泛,市场要求产品必须容易检修和维持寿命,而检修的关键在于检测电子产品是否符合规
9、格和要求,其关键就是在于检测其内部核心的电路,也即各类电子元件的参数测量。电容在电子电路中有着不可替代的作用,任何稍微复杂的电路都离不开电容的作用,因此,电容的测量向来是电子电路领域的重大课题之一,设计出成熟、轻便、准确的电容测量仪器至关重要。1.1 电容测量仪的发展历史在电子电路当中,电容通常是以传感器形式出现的,所以,在线电容测量技术的历史发展实际上就是电容传感器的发展历史。最初,使用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器,当时的电容传感器有变面积型,变介质介电常数型和变极板间型等多种类型。而现在随着科学技术的飞速发展,新式的电容式传感器越做越先进,市面上用得较多容栅式电容传感器,陶瓷电容
10、压力传感器等电容随处可见,而电容测量技术的发展也逐渐由单一化发展为多元化。目前来说,国内的本土测量仪器设备还比较落后,有着诸如精度不高,外观不好,可靠性差等缺点。在整个产业布局上,国内的测量仪器仪表有着一些缺陷,其一是国内比较重视产品的研发而忽视产品测量,这种错误的观念在整个产业线上十分明显,以至于许多电子行业的专业人员都倾向于从事研发行业,从而造成电子测试方面的人才十分匮乏,一些基础的测试学科理论也比较薄弱。其二则是有产业线,但并未建立完整的现代市场营销渠道。本土仪器设备厂商大多重视研发和生产,缺乏营销渠道,更别说建立一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式了。传统的营销模式在以前还能有所
11、作用,但却无法满足目前整个国内测量行业的需求。其三,国内缺乏标准的材料配套体系。由于某些原因,中国仪器配套行业的企业多为良莠不齐的小型企业,并没有一个广泛通行的标准,从而导致仪器的材料配套行业的技术水平较低,市场较小。虽然目前已有较大的改观,但距离整个产业的要求还有一定距离。另外,国内的一些公司经常陷入一个误区当中:在技术水平没有达到的条件下,一味地追求精度或追求高指标,而没有处理好与稳定性之间的关系,这些都是制约本土仪器发展的因素。虽然有着一些缺陷,但近几年来,国内测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视,状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段,重新回到了快速发展的轨道,
12、尤其最近几年,中国本土仪器取得了长足的进步,特别是通用电子测量设备研发方面,与国外先进产品的差距正在快速缩小,对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展,为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机,加上各级政府日益重视,以及中国自主应用标准研究的快速进展,都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出,中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中,无疑催生出了许多测试行业新创企业,也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。1.2 电容测量仪的研究现状测量电容的实质其实就是将电容的容值转化为其他可测物理量的过程,
13、能够转化的物理量主要有电压、电流、频率、充放电时间等。市面上的几种电容测量仪都是根据这样的原理制作的,比如常见电容传感器都配备有检测电路,就是根据调频电路设计的。在调频电路中,电容传感器是振荡电路中的选频元件。电容值变化引起振荡频率变化,由频率值表征被测物理量变化。交流电桥电路。传感器电容变化,引起电桥失衡,桥路输出变化。桥路输出变化表征被测物理量变化。而常用万用表中的电容测量电路则是将电容的容量转化为电压,该电路依据被测电容容量产生一个模拟电压,容量大则产生电压值高, 容量小则产生电压值低。测量电容时,此电压送入模/数转换电路,经过模数转换后得到容量值,即可传送到显示电路显示。测量电容还有一
14、种经典的方法,就是电桥法。电桥的平衡条件是: 通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡,这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可求出被测电容。用这种方法测量,调节电阻值一般只能手动,电桥的平衡也难以用简单电路实现。这样,电桥法不易实现自动测量。另外还有几种基于单片机的电容测量仪,因为无法精确测量的原因,市面上并不参见。因为555定时器构成的一些应用电路基本和电容有关,所以可以用测量其输出方波波形的方法来测量电容,譬如555定时器构成的单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比,。,这样一来,便可以用单片机来测量脉冲宽度。另外,555定时器构成的多谐振荡器输出频率主要与它外部连接的电容电阻
15、有关,如果电阻固定,就可以用测量方波周期或者频率的方法来简介测量电容。1.3 本次设计的任务与要求虽然市面上各种电容测量仪种类繁多,但本次设计主要是为了巩固所学,因为这个原因,本次设计的任务和要求如下:设计须采用单片机和NE555等数字器件为核心。有各模块功能的介绍。测量范围:1PF1000UF,有换挡电路。能够显示单位。当测量范围超出时能显示错误警报。2 硬件电路设计及其描述本章将介绍在线电容测量仪设计的具体设计过程,并为每一个单元电路做详尽的描述介绍。2.1 设计方案市面上各类电容测量仪种类繁多,我们不难筛选出很多中设计方案。从能够满足设计要求的方案中,我们主要选择以下四种方案略作描述:方
16、案一:将电容量通过设计电路转换成电压,然后把电压量经模数转换成数字量进行显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器,单稳态触发器输出电压的脉宽为:。从式中可以看出,当R固定时,只要改变电容C,则输出脉宽也会跟着改变,由Tw的宽度就可以求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压Vo取平均值,由于电容量的不同Tw的宽度也不同,则Vo的平均值也不同,由Vo的平均值大小可以得到电容C的大小。如果把平均值送到AD转换器,经显示器显示的数据就是电容的大小。但因为脉冲宽带往往过于短暂,且每一个脉冲的宽度波动较大,所以测量出的数据往往并不准确。方案二:用阻抗法测R、L、C有两种实现方法:以恒流源供电,然后测元件
17、电压;用恒压源供电,然后测元件电流。但由于很难实现理想的恒流源和恒压源,所以它们适用的测量范围很窄。方案三:直接根据充放电时间判断电容值。这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性,放电常数,通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。一般情况下,可设计电路使( T为振荡周期或触发时间;A为电路常数与电路参数有关)。这种方法中应用了555芯片组成的单稳态触发器,在秒脉冲的作用下产生触发脉冲,来控制门电路实现计数,从而确定脉冲时间,通过设计合理的电路参数,使计数值与被测电容相对应。方案四:使用AT89C52单片机和NE555芯片构成的多谐振荡电路电容测量。 这种电容测量方法主要是通过一块
18、555芯片来测量电容,让555芯片工作在直接反馈无稳态的状态下,555芯片输出一定频率的方波,其频率的大小跟被测量的电容之间的关系是:,如果R确定,我们用单片机定时一秒钟,就可以用计数器测量出相应方波的频率,此时,很容易就可以换算出电容的大小。 从以上四种方案中,很容易可以看出第四种方案十分符合我们的设计要求,其余方案都有着各种不可忽视的缺陷,而该方案不仅硬件电路简单,软件设计也不复杂,十分适合初学者来制作实物。综上所述,我们决定选用方案四来设计在线电容测量仪。2.2 原理框图本设计的原理总框图如图2.1: 80C52单片机晶振电路复位电路555多谐震荡器被测电容换挡电路显示电路图2.1 原理
19、总框图 图中给出了整个系统设计的系统框图,系统主要由四个主要部分组成,单片机和晶振电路设计,复位电路设计,555芯片电路设计,显示电路设计。在整个框图中,处于核心地位的是作为中央处理器的单片机,555芯片构成多谐振荡器后输出方波,由单片机接收并计算出频率,然后再换算成电容,交由LCD1602液晶显示。 2.3 单元电路设计分析2.3.1 AT89C52单片机功能描述单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转
20、换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的32位300M的高速单片机。STC89C52是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有8k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器,能重复写入/擦除1000次,数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。STC89C52可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低系统的成本。只要程序长度小于
21、8K,四个I/O口全部提供给用户。可用12V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽(2.7V6V),全静态工作,工作频率宽在0Hz24MHz之间,比8751/87C51等51系列的6MHz12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。STC89C52芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。该单片机外形及
22、引脚排列如图2.2所示:图2.2 AT89C52单片机 2.3.2 STC89C52的主要特性及管脚说明STC89C52主要具有以下几个特点:1)STC89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;2)内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器;3)静态工作,工作范围:0Hz24MHz;4)1288位内部RAM;5)32位双向输入输出线;6)两个十六位定时器/计数器7)5个中断源,两级中断优先级;8)1个全双工的异步串行口;9)闲置和掉电两种工作方式。10)内振荡器和时钟电路STC89C52的主要管脚说明如下:1)VCC:供电电压。2)GND:工作地。3)P0口:P0口为一个
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