【正文】 范圍較大，選用振蕩電路時(shí)，要考慮這個(gè)因素。必要時(shí)可用施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)整形。由于它具有功能強(qiáng)、體積小、功耗低、價(jià)格便宜、工作可靠、讀數(shù)方便，精度高等特點(diǎn)，因此特別適用于工業(yè)控制或與控制有關(guān)的數(shù)處理系統(tǒng)，越來越廣發(fā)被各個(gè)領(lǐng)域和項(xiàng)目采用。因此掌握好精密型數(shù)字電容表制作的一般設(shè)計(jì)方法，對(duì)于工程設(shè)計(jì)和開發(fā)有十分重要的指導(dǎo)意義。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的數(shù)字電容表，其主要構(gòu)成采用的是單片機(jī)和字符液晶LCD1602A。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡(jiǎn)單，更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，可以提高電容表工作的可靠性和性能指標(biāo)。 Fluke 123集示波器、萬用表和記錄儀于一體,有26種示波器和萬用表測(cè)量功能。獨(dú)特的即觸即測(cè)功能,快速發(fā)現(xiàn)故障。通過產(chǎn)品安全性的UL認(rèn)證。,輕松握在手中。有英文和中文幫助信息。 目前國(guó)外的數(shù)字電容表向著結(jié)構(gòu)更小，更美觀，更實(shí)用，用戶不需要擴(kuò)充資源就可以更方便的使用，不僅是開發(fā)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品小巧美觀，同時(shí)系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，對(duì)數(shù)字電容表的研究 ，通過將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)，從而使得人們真正體會(huì)到科技的發(fā)展給自己的現(xiàn)實(shí)生活所帶來的方便和舒適。內(nèi)部含有自校零雙積分電容表所需的全部模擬和數(shù)字電路。 將單片機(jī)用于電容式傳感器轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)長(zhǎng)期被人們所重視，,以實(shí)現(xiàn)單芯片提供完整的前級(jí)傳感器激勵(lì)與檢測(cè)方案,然而這種方案仍然需要另外選用單片機(jī)與這類芯片配套,才能最終構(gòu)成實(shí)現(xiàn)電容測(cè)量的系統(tǒng),相應(yīng)地增加了成本和復(fù)雜性,不適于量大價(jià) 低的諸如傾角傳感器或電子水平儀等方面的應(yīng)用。 三、論文進(jìn)行的主要工作本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)STC12C520XAD系列的數(shù)字電容表，其主要構(gòu)成采用的是單片機(jī)和字符液晶LCD1602A，采用外部中斷測(cè)量震蕩頻率，必要時(shí)可以采用LM358進(jìn)行運(yùn)算放大，然后計(jì)算電容值。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡(jiǎn)單，更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，可以提高電容表工作的可靠性和性能指標(biāo)。同時(shí)，也是最重要的一點(diǎn)，靈敏系數(shù)高，誤差很小，在現(xiàn)代技術(shù)行業(yè)，必須使用這種方式的數(shù)字電容表。 顯示方面采用字符液晶LCD1602A的動(dòng)態(tài)顯示，需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會(huì)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。指導(dǎo)教師簽字時(shí) 間 年 月 日摘 要隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。本課題選用STC12C5204AD單片機(jī)作為一個(gè)核心部件來設(shè)計(jì)數(shù)字電容表，該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、555芯片電路、顯示電路等部分組成。 本次設(shè)計(jì)的數(shù)字電容表通過實(shí)際證明，該系統(tǒng)具有硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件可調(diào)整性大，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且在體積方面比較小，方便攜帶，在生活生產(chǎn)中可以得到更普遍的應(yīng)用。電容通常以傳感器形式出現(xiàn)，因此，電容測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歸根結(jié)底就是電容傳感器的發(fā)展。最初的電容傳感器有變面積型，變介質(zhì)介電常數(shù)型和變極板間型。電容測(cè)量技術(shù)發(fā)展也很快現(xiàn)在的電容測(cè)量技術(shù)也由單一化發(fā)展為多元化。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外做傳感器的廠商也比較多,在世界范圍內(nèi)做電容傳感器做的比較好的公司有：日本figaro、德國(guó)tecsis、美國(guó)alphasense。盡管本土測(cè)試測(cè)量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中國(guó)開發(fā)測(cè)試測(cè)量?jī)x器還普遍比較落后。實(shí)際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國(guó)測(cè)量?jī)x器發(fā)展的瓶頸為：(1)由于測(cè)試在整個(gè)產(chǎn)品流程中的地位偏低，人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產(chǎn)品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而測(cè)試則處于從屬和輔助位置。這種原因，造成整個(gè)社會(huì)對(duì)測(cè)試的重視度不夠，造成測(cè)試儀器方面人才的嚴(yán)重匱乏，這是中國(guó)測(cè)量?jī)x器發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸。 (2)面向應(yīng)用和現(xiàn)代市場(chǎng)營(yíng)銷模式還沒有真正建立起來。傳統(tǒng)的營(yíng)銷模式在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)年代里發(fā)揮過很大作用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。特別是隨著國(guó)內(nèi)應(yīng)用需求的快速增長(zhǎng)，為這一過渡提供了根本動(dòng)力，應(yīng)該利用這些動(dòng)力，跟蹤應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。測(cè)試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國(guó)本土儀器取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是通用電子測(cè)量設(shè)備研發(fā)方面，與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對(duì)國(guó)外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。從中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒中可以看出，中國(guó)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器每年都以超過30%以上的速度在快速增長(zhǎng)。 主要研究?jī)?nèi)容目前常用的兩種測(cè)量電容的實(shí)現(xiàn)方法：一是利用多諧震蕩產(chǎn)生脈沖寬度與電容值成正比信號(hào)，通過低通濾波后測(cè)量輸出電壓實(shí)現(xiàn)；二是利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)裝置產(chǎn)生與電容值成正比門脈沖來控制通過計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖的通斷，即直接根據(jù)充放電時(shí)間判斷電容值。而且他們都無法直觀的把測(cè)量的電容值大小顯示出來。該方案主要是根據(jù)555芯片[2]的應(yīng)用特點(diǎn)，把電容的大小轉(zhuǎn)變成555輸出頻率的大小，進(jìn)而可以通過單片機(jī)對(duì)555輸出的頻率進(jìn)行測(cè)量。42第2章 設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)可以直接測(cè)量電容的儀表，通過字符液晶LCD1602A顯示測(cè)量對(duì)象的電感值。單片機(jī)建議選用STC12C520XAD系列SKDIP28封裝。主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍：100PF—100NF；精度要求：誤差不大于20%；顯示要求：保留1位小數(shù)點(diǎn)，單位用N；供電：9V萬用表干電池或用DC912V電源代替?，F(xiàn)在一一介紹論證如下：方案一、利用多諧振蕩原理測(cè)量電容測(cè)量原理電容C電阻R和555芯片構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩電路[3]。當(dāng)C上沖得的電壓= 時(shí)，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖?，C又通過R放電，下降。由測(cè)得的校準(zhǔn)值測(cè)量值及存放的軟件中的標(biāo)準(zhǔn)電容值C可得出待測(cè)電容值這種方法的利用了一個(gè)參考的電容實(shí)現(xiàn)，雖然硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)卻相對(duì)比較復(fù)雜。一般情況下，可設(shè)計(jì)電路使。誤差分析：這種電容測(cè)量方法的誤差主要由兩部分組成：一部分是由555芯片構(gòu)成的振蕩電路和觸發(fā)電路由于非線性造成的誤差，其中最重要的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差，(T由充放電時(shí)間決定，是被測(cè)電容值)；另一部分是由數(shù)字電路的量化誤差引起，是數(shù)字電路特有的誤差該誤差相對(duì)影響較小，可忽略不計(jì)。方案三、基于STC12C5204AD單片機(jī)和555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路電容測(cè)量這種電容測(cè)量方法主要是通過一塊555芯片來測(cè)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(cè)量的電容之間的關(guān)系是：，我們固定的大小，其公式就可以寫為：，只要能夠測(cè)量出555芯片輸出的頻率，就可以計(jì)算出測(cè)量的電容。系統(tǒng)框圖如圖21所示。第3章 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)STC12C5204AD基本工作電路設(shè)計(jì)：使單片機(jī)正常工作；時(shí)鐘電路：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)；555芯片電路：把電容的大小轉(zhuǎn)變成輸出頻率的大小；顯示電路：顯示當(dāng)前測(cè)量電容的大小；按鍵電路：開始測(cè)量電容； 電容測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)　STC12C5204AD單片機(jī)的使用 STC12C5204AD單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)[6]，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快812倍。設(shè)計(jì)時(shí)單片機(jī)采用STC12C5204AD，芯片STC12C5204AD引腳圖如圖31所示。當(dāng)P2口作為輸入/輸出口時(shí)，P2是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳是外部時(shí)鐘源的輸入端。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳可懸空，此時(shí)XTAL2實(shí)際將XTAL1輸入的時(shí)鐘進(jìn)行輸出、VCC：電源正極GND：電源負(fù)極，接地(1)關(guān)于復(fù)位電路：時(shí)鐘頻率低于12MHz時(shí)，可以不用C1，R1接1K電阻到地時(shí)鐘頻率高于12MHz時(shí)，建議使用第二復(fù)位功能腳(2)關(guān)于晶振電路：如果使用內(nèi)部R/C振蕩器時(shí)鐘，XTAL1和XTAL2腳懸浮。(3)A/D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓源：STC12C5201AD單片機(jī)的參考電壓源是輸入工作電壓VCC，所以一般不用外接參考電壓源[15]。 0～420MHz　　(4)用戶應(yīng)用程序空間4K字節(jié)　　(5)片上集成 256 字節(jié) RAM　　(6)通用I/O口（27/23/15/13/11個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051 傳統(tǒng)I/O口）　　(7)ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片　　(8)有EEPROM 功能　　(9)看門狗　　(10)內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路（外部晶體20M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K 電阻到地）　　(11)內(nèi)置一個(gè)掉電檢測(cè)電路，　　(12)時(shí)鐘源：外部高精度晶體/ 時(shí)鐘，內(nèi)部R/C 振蕩器（溫漂為+/5%到+/10%以內(nèi)）　　(13)共4個(gè)16位定時(shí)器　　(14)2個(gè)時(shí)鐘輸出口，　　(15)外部中斷I/O口6路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，　　(16)工作溫度范圍： 40 +85℃（工業(yè)級(jí)）/ 0 75℃（商業(yè)級(jí)）　　(17)封裝：LQFP32，SOP32/28/20/16， SKDIP28，PDIP20/18/16，LSSOP20 電容測(cè)量系統(tǒng)時(shí)鐘電路 內(nèi)部時(shí)鐘方式：內(nèi)部時(shí)鐘原理圖如下圖32所示。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[7]。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會(huì)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。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。對(duì)外部脈沖信號(hào)只要求高電平的持續(xù)時(shí)間大于20us，一般為低于12MHz的方波。它設(shè)計(jì)新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受電子專業(yè)設(shè)計(jì)人員和電子愛好者的青睞，人們將其戲稱為偉大的小IC。555電路，也稱555芯片電路，是一種中規(guī)模集成電路。通常只要外接少量幾個(gè)元件，就可構(gòu)成各種不同用途的脈沖電路以及許多實(shí)用電路，如多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)電路及施密特觸發(fā)器等等。555集成電路有雙極型和CMOS兩種。該特殊的RS觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端，這兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低，其中置零端R即閾值端TH要求高電平，置位端即觸發(fā)端則要求低電平，也就是使它們翻轉(zhuǎn)的閾值電壓值不同。 電容測(cè)量系統(tǒng)按鍵電路按鍵是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)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。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，案件的識(shí)別由專用的硬件譯碼實(shí)現(xiàn)，并能產(chǎn)生鍵編號(hào)或鍵值的稱為編碼鍵盤，而缺少這種鍵盤編碼電路要靠自編軟件識(shí)別的稱為非編碼鍵盤。圖9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33 按鍵檢測(cè)電路555芯片電路的應(yīng)用電路很多，如：多個(gè)單穩(wěn)、多個(gè)雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的電路是直接反饋型無穩(wěn)類電路。圖34 555芯片工作原理圖555芯片芯片輸出的頻率改變電阻R，就可以達(dá)到改變電阻量程的目的，圖中提供了三組電阻，所以說有三組的電容測(cè)量量程，每個(gè)量程之間的跨度是10倍的關(guān)系。 圖35 555芯片工作仿真電路 電容測(cè)量系統(tǒng)顯示電路LCD以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。LCD1602引腳圖如圖36所示。第2腳：VDD接5V正電源。第4 腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示F低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置指令8：DDRAM地址設(shè)置指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。圖37 LCD1602液晶顯示模塊可以和單片機(jī)直接接口電路原理圖 LCD1602液晶顯示模塊可以和STC12C5204AD直接接口仿真電路如圖38所示。從書本上學(xué)不會(huì)設(shè)計(jì)，只能經(jīng)過實(shí)踐，通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的研究和實(shí)踐才能學(xué)會(huì)。設(shè)計(jì)得不好的系統(tǒng)，盡管可以工作，但很可能維護(hù)起來費(fèi)用昂貴、測(cè)試?yán)щy和不可靠，因此，設(shè)計(jì)階段是軟件開發(fā)過程中最重要的階段。一般用自然語言給定一個(gè)需求集，預(yù)先作非正式設(shè)計(jì)，常常用流程圖的形式說明，接著開始編碼，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)設(shè)計(jì)還需修改。 軟件設(shè)計(jì)任務(wù) 軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)硬件設(shè)計(jì)里面的控制部分的，這里指STC12C5204AD單片機(jī)，一般的單片機(jī)均可用匯編語言和Keil C語言進(jìn)行編程。作為還在學(xué)生階段的我們，用匯編語言進(jìn)行編程對(duì)我們理解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、資源都有很好的幫助，但是編程在以后的實(shí)際工作中將會(huì)大大簡(jiǎn)化自己的工作。要完成的任務(wù)是：初始化程序設(shè)計(jì)、按鍵程序設(shè)計(jì)、中斷處理程序，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)程序，顯示程序設(shè)計(jì)等。 程序設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì) 整個(gè)程序設(shè)計(jì)過程中遇到的最大的問題的如何根據(jù)測(cè)量到的方波的頻率來計(jì)算所測(cè)量的電容的大小。簡(jiǎn)單時(shí)序圖如