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正文內(nèi)容

基于51單片機的數(shù)字電容測量儀設(shè)計實驗報告(編輯修改稿)

2024-10-02 15:44 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 G R E E N+ 5 VR96 8 0R 1 06 8 0R 1 16 8 0R 1 26 8 0R66 8 0D6L E D G R E E N 圖 27 指示燈電路 量程選擇電路 在圖 24 中可以看到,在 RC 充電回路中, R 值是固定的,不可變的,那么量程也顯然是不可變的,因此,需要在此加入可調(diào)節(jié)充電回路電阻的電路部分,這里,利用繼電器可以簡單實現(xiàn)。具體電路如圖 28所示,利用繼電器時需特別注意,由于單片機輸出電流是很小的,不足以驅(qū)動繼電器吸合,因此要加驅(qū)動電路,在這里,選擇 ULN2020 芯片來實現(xiàn)。當然,也可以利用典型的三極管驅(qū)動來實現(xiàn),雖然選擇的是芯片實現(xiàn)驅(qū)動,在這里也將典型的三極管驅(qū)動電路列于此。如圖 29 所示。 16 I NT 0P 3 . 7THP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U2NE 5 5 5C21nF+ 5 VC35 0 0 0 p fR22kC44 .7 u fR51 0 0 kR61 0 MR71kR L 1NT E R22 5R L 2NT E R22 5R81 0 0R L 3NT E R22 5+ 5 V+ 5 V+ 5 V1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10CO M9U3ULN2 0 0 3 A 圖 28 實現(xiàn)量程選擇電路 P 0 . 0Q1M P S A 5 5R L 4N T E R 2 2 5 圖 29 利用三極管的驅(qū)動電路 17 液晶 顯示電路 如圖 210 所示, lcd 接與 P1 口,用于顯示 電容值以及一些相應(yīng)的測量信息。 P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P2.2P2.1P2.0D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3L C D 1L M 0 1 6 L+ 5 V 圖 210 lcd 顯示電路 至此,整個電容測量儀的硬件設(shè)計部分就設(shè)計好了,接下來,需要的就是與之相匹配的軟件支持了。 軟件設(shè)計 軟件編程平臺選擇最常用的 keil軟件。由于該 程序并未涉及到底層的驅(qū)動問題,因此選擇方便快捷的 C 語言編程。在編程中,將該程序分為三個模塊 :延時模塊, 1602 顯示模塊及主函數(shù)模塊。 方便調(diào)試與理解。 具體程序見附錄二 。 總體程序較長,但并不復(fù)雜,可根據(jù)需要重點看主函數(shù),與硬件電路結(jié)合起來,注重程序后緊跟的注釋,理解起來是比較容易的,在此就不再一一詳細分析。 量程范圍設(shè)置 由于量程的選擇是非常重要的一個環(huán)節(jié),在這里單獨討論量程的選擇。 系統(tǒng)采用單片機片內(nèi) 16 位的定時器測量 TW 的寬度 , 標準計數(shù)脈沖的周期為 1 微秒時 , 18 為確保計數(shù)器不發(fā)生溢出 , 要求 TW 65 毫秒。同時 , 為減小量化誤差對結(jié)果的影響 , 要求TW 1 微秒。當 TW 100 微秒以上時 , 可忽略量化誤差的影響。為滿足 10pF ~ 500uF 的測量范圍 , 可通過設(shè)置不同充電電阻 R 的阻值來實現(xiàn)。理論計算的電阻 R 阻值、理論量程范圍以及系統(tǒng)選擇的量程范圍如表 21 所示。系統(tǒng)分為四個量程 , 可測量 10pF ~ 500uF 的電容。 表 21 R值與量程范圍的關(guān)系 R值(歐姆) 理論量程范圍 選擇的范圍 10M 9pF ~ 5. 9nF 10pF ~ 5nF 100K 900pF ~ 590nF 5nF ~ 500nF 1K 90nF ~ 59uF 0. 5uF ~ 50uF 100 900nF ~ 590uF F 50uF ~ 500uF altium designer 原理圖設(shè)計及 PCB 制作 原理圖設(shè)計 圖 211 原理圖設(shè)計 19 PCB制作 圖 212 PCB 設(shè)計 在此并沒有布雙層板,紅色的線僅僅只是為了標志出跳線。 設(shè)計結(jié)果 圖 213 設(shè)計結(jié)果實物圖 各個按鍵功能如圖中文字說明。 20 3 系統(tǒng)測試 由于該作品需實現(xiàn)的功能僅為 測電容,在此不列出其他的測試。 測量 100nf 的電容 在此以 100nf 電容測試為例,演示整個測試過程。 測試標稱值為 104 的電容,即測量電容值為 100nf 的電容。 104 的電容實物如圖 214 所示。測試結(jié)果如圖 215 所示。若量程選擇錯誤,測試結(jié)果如圖 216 所示。 圖 214 100nf 的電容實物 21 圖 215 100nf 電容正常測試 圖 216 量程錯誤情況下的測試 測量 的電容 再以測試 電容為例,測試結(jié)果如圖 218 所示。 22 圖 218 測試 的電 容 測試結(jié)果 將 測 量的 一系列電容 的電容 值與標準值比較。比較結(jié)果如表 31。 表 31 測量值與標準值比較 標準值 測量值 誤差 300pf 320pf % 100nf % % 100uf % 由表 31 中數(shù)據(jù)可知,平均誤差是 6%,低于設(shè)計擴展要求的 10%,測量范圍是10pf~500uf,滿足設(shè)計要求的 100pf~100uf。測量結(jié)果由液晶直觀顯示。綜合以上分析,該設(shè)計滿足整體設(shè)計要求。 23 誤差分析 由于產(chǎn)生的 6%左右的誤差,在這里 簡要分析一下誤差產(chǎn)生的原因。 電容測量的誤差主要由 NE555 定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差 T 、計數(shù)器的量化誤差 ? N 和標準計數(shù)脈沖的頻率偏移 TC 產(chǎn)生 [2] [ 3] 。因此有 : 系統(tǒng)采用的標準計數(shù)脈沖來自單片機內(nèi)核時鐘 , 由片外的高精度晶振與片內(nèi)電路自激振蕩產(chǎn)生 ,頻率非常穩(wěn)定 , 可以忽略其頻偏對測量結(jié)果的影響。量化誤差 ? N 是數(shù)字電路的特有誤差 , 最壞的情況下等于 1。如采用 12M 的晶振 , 可獲得 1MHz 的標準計數(shù)脈沖 , 量化產(chǎn)生的最 大誤差為 1 微秒。通過設(shè)置充電電阻 R 的阻值 , 使 TW 達到毫秒級時 , 量化誤差的影響非常小 , 可以忽略。非線性誤差是由器件的非線性特性產(chǎn)生的 , 可通過硬件參數(shù)修正和軟件算法補償來減小。 4 結(jié)論 與心得體會 總之,通過一系列仿真和設(shè)計,數(shù)字式電容測量儀還是比較成功的做出來了。一路下來還是比較坎坷,從原理到實物, 從調(diào)試到調(diào)試成功, 遇到了很多問題, 在 硬件的 原理圖設(shè)計中,遇到了一個當時覺得非常困難的問題,就是如何實現(xiàn)量程的選擇,首先想到的就是用開關(guān)實現(xiàn),由用戶根據(jù)不同的選擇撥動開關(guān),這樣雖然很容易的選擇了不 同的電阻,但是,撥動開關(guān)之后如何讓單片機知道呢?因為只有單片機知道你選擇了何種量程的電阻,才有法作相應(yīng)的處理,于是想到在用一個按鍵來通知單片機,可是,這樣的話,用戶測量一次電容,將會按 3次按鍵,這樣無疑增加了操作的繁瑣度。于是想到可以由用戶按鍵通知單片機選擇量程,用單片機控制某種芯片來選擇不同的路徑,從而引入不同的電阻。而這種芯片,也是通過查閱很久的資料才查到的,從 CD4052 到繼電器也走了不少彎路,最后權(quán)衡各個方面,選擇了易于控制的內(nèi)阻很低的繼電器。至此,解決了量程選擇問題。 可是,在后續(xù)的設(shè)計中,沒有意識 到繼電器的驅(qū)動問題,就直接將他接于單片機的 P0口,板子做出來之后,才發(fā)現(xiàn) 24 無法驅(qū)動繼電器,使繼電器吸合。就這樣,一步一步,最后又選擇以 ULN2020 作為驅(qū)動。才得以解決這一系列問題。其次,軟件設(shè)計也遇到了 很多問題,通過很長的時間才調(diào)試成功。 通過這次設(shè)計也收獲了很多,知識層面上,學(xué)得了很多新知識,解決問題的新方法。實踐方面,提高了動手能力,提高了解決實際問題的能力等等。在思想上,更加明白的堅持不懈的重要性,學(xué)習(xí)探索的重要性,實踐動手的重要性。 5 參考文獻 【 1】 《單片機基礎(chǔ)》第三版 李廣弟 朱月秀 冷祖 祁 編著 北京航天大學(xué)出版社, 2020 【 2】 《數(shù)字式電容測量儀設(shè)計》 張玉芹 , 洪遠泉 廊坊師范學(xué)院學(xué)報 (自然科學(xué)版 ) 2020 年 6 月 第 11 卷第 3 期 6 附錄 附錄 1 元器件清單 ( 1) 晶振 12M一個 ( 2) stc89c52芯片一片 ( 3) 30pf 2個; 10uf 1個; 470uf 1個; 2個; 1個; 1nf 1個 ( 4) 40腳活動底座一個 ( 5) lcd液晶一個 ( 6) 按鍵 6個 ( 7)發(fā)光二極管 6個 ( 8) 9引腳 排阻 1個 ( 9) 680Ω 6 個; 10k 1個; 1k 2個; 1k 滑動變阻器 1 個; 10M 1 個; 100k 1個;100Ω 1個; 2k 1個; 200Ω 1個; ( 10) 開關(guān) 1個 ( 11) 整流橋 1個 ( 12) 7805穩(wěn)壓芯片 1片 ( 13) 繼電器 3個 25 ( 14) ULN2020 1片 ( 10) 排針若干,杜邦線若干 附錄 2 程序清單 分 5 個文件: , , , , (a) 程序清單: ifndef __delay_h__ define __delay_h__ define uchar unsigned char define uint unsigned int void delay_us(uint t)。 void delay_ms(uint t)。 endif (b) 程序清單: include void delay_us(uint t) { uchar i。 for(。t0。t) { for(i=0。i12。i++) { 。 } } } void delay_ms(uint t){ uchar i。 26 for(。t0。t) { for(i=0。i125。i++) { 。 } } } (c) 程序清單: ifndef __1602_h__ define __1602_h__ include sbit RS = P2^2。 //定義端口 sbit RW = P2^1。 sbit EN = P2^0。 define RS_CLR RS=0 define RS_SET RS=1 define RW_CLR RW=0 define RW_SET RW=1 define EN_CLR EN=0 define EN_SET EN=1 unsigned char pro_data(unsigned char mda)。 void LCD_write_(unsigned char )。 void LCD_write_Data(unsigned char Data)。 void LCD_init(void)。 void lcd_pos(unsigned char pos)。 27 void disp(unsigned char *p)。 void dispchar1(unsigned char *p)。 void dispchar2(unsigned char *p)。 void dispchar3(unsigned char *p)。 endif
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