【正文】 C89C52 單片機(jī) 和繼電器控制電容充放電主要電路測量電容電路，電容測量是采用 RC 充放電的基本原理實現(xiàn)的。 基于 單片機(jī)的電容測量儀 的設(shè)計與實現(xiàn) 專業(yè)：電子信息工程 學(xué)號： XXX 學(xué)生姓名： XXX 指導(dǎo)老師： XXX 【內(nèi)容摘要】 隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進(jìn)步，在電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展可謂突飛猛進(jìn)，然而 電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用 ， 它的容量大小對電路的性能有著重要的作用。因此，電容量的測量在日常使用中就不可避免。測量電容元器件的儀表種類較多，方法也各有不同，但都有其優(yōu)缺點。 在這里是把電容元件參數(shù) C轉(zhuǎn)換成時充電時間的長短，用時間繼電器定時，單片機(jī)定時器 0計算充電時間，當(dāng)電容充電到預(yù)設(shè)好的電壓后 LM393 反轉(zhuǎn)輸出低電平。 在軟件設(shè)計中，該設(shè)計 使用 C 語言來編寫程序 。 由于單片機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，處理能力強(qiáng)，可靠性高，價格低廉的優(yōu)點，因此已被 廣泛應(yīng)用于智能生產(chǎn)和工業(yè)自動化上 。通過定時計數(shù)系統(tǒng) 來對時間進(jìn)行有效的控制。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。伴隨著測量技術(shù)的發(fā)展，在測量精度和速度上有非常大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。當(dāng)充電時間 t 等于 RC 時間常數(shù) τ 時 ,被測電容 兩端電壓約為電源電壓的％ ，也就達(dá)到 Vth，測量電容器充電達(dá)到該電壓的時間，便能知道電容器的容量。 系統(tǒng)的性能要求及特點 基于單片機(jī)的電容測量儀設(shè)計應(yīng)能達(dá)到以下功能要求： （ 1）測量 1nF— 50uF的電容大小，可以設(shè)置測量的 4個檔： （ 2）測量輸出值，使用液晶顯示數(shù)值。目前大部分電容測量方法集成化水平低 ,精度低 ,因而對電容特別是對常用電容的精確測量始終是一個很重要的課題 .在某些場合 ,傳感電容的變化量往往僅有幾個或幾十個皮法大小 ,這就 5 STC89C52 對電容測量電路提出了更高的要求 。 2 系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計思路與方案比較論證 系統(tǒng)設(shè)計思 路 本 設(shè)計 利用電容器充放電的規(guī)律 。顯示部分利用液晶顯示模塊， 具有 顯示 電容大小 等功能。 根據(jù)以上的設(shè)計思路及設(shè)計原理確定系統(tǒng)組成框圖如 下 圖 所示 。但 相對而言 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大，綜合本設(shè)計 不需要大規(guī)模的 FPGA。 三角波輸入給以被測電容器作為微分電容的微分電路，在電路參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)臈l件下，微分電路的輸出幅度與被測電容成正比，再整流 或峰值檢波電路及濾波電路，可以得到與被測電容成正比的直流電壓 ，然后再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換送給數(shù)字顯示器，便可實現(xiàn)所要求電容測量。 方案三：采用單片機(jī)控制，利用單片機(jī)的內(nèi)部時鐘與外部中斷就能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，且成本較低，適合電容測量儀的設(shè)計。 顯示模塊 方案一：用 LED 顯示 方案二：采用 LCD 液晶顯示 考慮到本題的要求，只需要一片 LCD1602 就可以實現(xiàn)，故我們選擇方案二。 方案二： 以電容器的充電規(guī)律作為測量依據(jù) ， 電源經(jīng)電阻 R 給被測電容 充電， 被測電容 兩端原電壓隨充電時間的增加而上升。 所以選擇方案二。該器件與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 2. STC89C52 功能特性描述 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。本系統(tǒng)顯示模塊采用了 LCD1602 液晶顯示器每行能夠顯示 16 個字符，可以顯示兩行。 （ 1） LCD1602 讀操作時序如下圖所示 8 圖 23 LCD1602讀操作時序 （ 2） LCD1602 寫操作時序如下圖所示 圖 24 LCD1602寫操作時序 （ 3）時序相關(guān)參數(shù)如下表所示 表 22 1602時序相關(guān)參數(shù) 時序參數(shù) 符號 極限值 單位 測試條件 最小值 典型值 最大值 E 信號周期 tc 400 ns 引腳 E E 脈沖寬度 tPW 150 ns E 上升沿 /下降沿時間 tR,tF 25 ns 地址建立時間 tSP1 30 ns 引腳 E、 RS、 R/W 地址保持時間 tDH1 10 ns 數(shù)據(jù)建立時間（讀操作） tD 100 ns 引腳 DB0~DB7 數(shù)據(jù)保持時間（讀操作） tHD2 20 ns 數(shù)據(jù)建立時間（寫操作） tSP2 40 ns 數(shù)據(jù)保持時間（寫操作） tHD2 10 ns ： 9 圖 25 液晶顯示與單片機(jī)連接圖 被測電路模塊設(shè)計 ]4[ 該電容表是基于 RC 充放電的原理測量電容量的。圖 27是一種最簡單的 RC 晶體管時間繼電器電路圖。 RC 晶體管時間繼電器的基本工作原理是 電容電壓不能突變而只能緩慢升高的特性來延時的。在延時時間 t1 內(nèi)， Uc 隨時間的變化規(guī)律如圖 2b 中曲線段 obc 。 電壓比較器的工作原理 11 LM393 是由兩個獨(dú)立、低功率、低失調(diào)電壓雙比較器的集成電路，它將模擬量輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較，輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號是數(shù)字量 1或 0這兩種狀態(tài)，所以 LM393 集成運(yùn)放常常工作在非線性去，處于開環(huán)狀態(tài)，在本設(shè)計中把充電的模擬量 N與基準(zhǔn)電壓 N+比較輸出低電平進(jìn)入單片機(jī)觸發(fā)外部中斷 0 ]6[ 。 （ 2）差模輸入電壓范圍等于電源電壓。 LM393 的優(yōu)勢： （ 1）兼容邏輯電路。 （ 3）減少溫漂引起的失調(diào)電壓。 LM393 極限值（ Ta=25℃），如下表所示 表 23 LM393極限值 項目 符號 最小 最大 單位 差模輸入電壓 VIDR 36 V 輸入電流 IIN 50 mA 功耗 PD 780 mW 12 I N I N +84U 5AL M 39 3V C CR510KR4300R710KV C CV C CK1V C CQ185 5 0R61KP 331234J3V C CP 32W110KW2 10K 圖 28 被測電路工作原理圖 3 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計的關(guān)鍵是按要求對電容進(jìn)行充放電定時計數(shù)，測量出來并進(jìn)行顯示。定時器 T0 作被測電容器充電時間的計數(shù)用。 測量電容時 口輸出高電平，電容開始充電， 與此同時定時器 T0 開始計數(shù)，當(dāng)電容器充電達(dá)到基準(zhǔn)電壓時， 口輸出低電平，據(jù)此程序作出判斷停止 T0 的計數(shù)，并讀出數(shù)據(jù)液晶顯示]7[ 。同時能夠在 KEIL 軟件商之間調(diào)試程序錯誤并且支持模塊化設(shè)計縮短了開發(fā)周期減少了開發(fā)難度 ]8[ 。 通過編譯查錯，在 KEIL 中對程序中出現(xiàn)的語法和邏輯的錯誤進(jìn)行修改 生成 HEX 文件，下載并調(diào)試硬件和程序。指針式萬用表 精度 級 功能測試：將系統(tǒng)各個單元模塊組裝好，依次測試如下功能：復(fù)位功能、顯示功能，測量電容的范圍大小，實現(xiàn)了題目 給定的基本性能要求。 表 31 電容大小測量結(jié)果 電容標(biāo)稱值（ uF） 測量值 (uF) 誤差 1000 % 470 % 10 % % 1 13% 30% 15 測試結(jié)果分析 經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試及測量，我們得出該系統(tǒng)能夠滿 足以下要求：電容的測量范圍,基本滿足要求，在精度方面在微小電容測量方面精度稍有欠缺。為了減小本設(shè)計中誤差，主要利用修正的方法來減小本電容測試儀的測量誤差。在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取合適的修正值非常關(guān)鍵，修正值的獲得有三種途徑。 本測試修正值主要通過實驗取得，對影響測量讀數(shù)的各種影響因素，如溫度、電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差。在本次測量中，通過實驗調(diào)試，選取較合適的修正值來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差，提高測量的精度。 畢業(yè)設(shè)計是一個綜合大學(xué)所學(xué)的實踐課程，是將理論與實 際相連的實驗過程，是總結(jié)大學(xué)四年所學(xué)知識的最全面最好的體現(xiàn)。最終 完成所設(shè)計項目 基于單片機(jī)的電容測量儀 的 設(shè)計，這一過程鍛煉了我對單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計及 動手能力 。所以每一個環(huán)節(jié)都是不能大意的。軟件的調(diào)試 —— 修改 —— 再調(diào)試，如此反反復(fù)復(fù)，最終完成了設(shè)計的大部分任務(wù)，但設(shè)計還存在非常多的問題，沒有完全達(dá)到設(shè)計要求。在不斷的學(xué)習(xí)與思考中，我對單片機(jī)知識有了更為深刻的了解體會。 在整個設(shè)計過程中，由于知識的欠缺和經(jīng)驗的不足，會遇到很多的麻煩和從未遇到的難題，但在老師的細(xì)心講解和指導(dǎo) 下，在班上同學(xué)的幫助下，通過翻閱大量有關(guān)資料，成功的完成了本次設(shè)計。對待科學(xué)研究要始終保持著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，對于每一個環(huán)節(jié)都必須精益求精。 在設(shè)計中也提高了自己獲得新知識，新信息的能力。由于時 間，知識水平有限，文中難免會有不妥和錯誤之處，懇請各位老師和同學(xué)批評指正。同時也要感謝幫助過我的同學(xué)，給我提供了寶貴的建議。從指導(dǎo)老師身上，我不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理，在