【正文】 wer supply circuit。相應(yīng)地，測量電容的技術(shù)也在各類測量技術(shù)和產(chǎn)品研究中應(yīng)用得十分廣泛。 電容在電子電路中有著不可替代的作用，任何稍微復(fù)雜的電路都離不開電容的作用，因此，電容的測量向來是電子電路領(lǐng)域的重大課題之一，設(shè)計(jì)出成熟、輕便、準(zhǔn)確的電容測量儀器至關(guān)重要。最初，使用交流不 平衡電橋就能測量基本的電容傳感器，當(dāng)時(shí)的電容傳感器有變面積型，變介質(zhì)介電常數(shù)型和變極板間型等多種類型。 目前來說，國內(nèi)的本土測量儀器設(shè)備還比較落后，有著 諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等缺點(diǎn)。其二則是有產(chǎn)業(yè)線，但并未建立完整的現(xiàn)代市場營銷渠道。傳統(tǒng)的營銷模式在以前還能有所作用，但卻無法滿足目前整個(gè)國內(nèi)測量行業(yè)的需求。由于某些原因，中國儀器配套行業(yè)的企業(yè)多為良莠不齊的小型企業(yè)，并沒有一個(gè)廣泛通行的標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致儀器的材料配套行業(yè)的技術(shù)水平較低，市場較小。另外，國內(nèi)的一些公司經(jīng)常陷入一個(gè)誤區(qū)當(dāng)中：在技術(shù)水平?jīng)]有達(dá)到的條件下，一味地追求精度或追求高指標(biāo)，而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系，這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。測試儀器行業(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，中國本土儀器取得了長足的進(jìn)步，特別是通用電子測量設(shè)備研發(fā)方面，與國外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對國外電子儀器巨頭的 壟斷造成了一定的沖擊。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過 30%以上的速度在快速增長。 電容測量儀的研究現(xiàn)狀 測量電容的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是將電容的容值轉(zhuǎn)化為其他可測物理量的過程，能夠轉(zhuǎn)化的物理量主要有電壓、電流、頻率、充放電 時(shí)間等。在調(diào)頻電路中， 電容傳感器是振蕩電路中的選頻元件。交流電橋電路。橋路輸出變化表征被測物理量變化。測量電容時(shí) ,此電壓送入模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到容量 值，即可傳送到顯示電路顯示。電橋的平衡條件是： ? ?1 * * 1 n 2 * x * 2 xZ Z n e xp [ j Z Z e xp j ]? ? ? ????（ ） （ ） 通過調(diào)節(jié)阻抗 ZZ2使電橋平衡，這時(shí)電表讀數(shù)為零。用這種方法測量，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動(dòng)，電橋的平衡也難以用簡單電路實(shí)現(xiàn)。 另外還有幾種基于單片機(jī)的電容測量儀，因?yàn)闊o法精確測量的原因，市面上并不參貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 3 頁 見。 Tw ? ，這樣一來，便可以用單片機(jī)來測量脈沖寬度。 本次設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 雖然市面上各種電容測量儀種類繁多，但本次設(shè)計(jì)主要是為了鞏固所學(xué)，因?yàn)檫@個(gè)原因，本次設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求如下： 設(shè)計(jì)須采用單片機(jī)和 NE555等數(shù)字器件為核心。 測量 范圍： 1PF—— 1000UF，有換擋電路。 當(dāng)測量范圍超出時(shí)能顯示錯(cuò)誤警報(bào)。 設(shè)計(jì)方案 市面上各類電容測量儀種類繁多，我們不難篩選出很多中設(shè)計(jì)方案 ?？捎?555 集成定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：ln 3 1 .1Tw RC RC??。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓 Vo取平均值，由于電容量的不同 Tw 的寬度也不同，則 Vo 的平均值也不同，由 Vo 的平均值大小可以得到電容 C 的大小。但因?yàn)槊}沖寬帶往往過于短暫，且每一個(gè)脈沖的寬度波動(dòng)較大，所以測量出的數(shù)據(jù)往往并不準(zhǔn)確。但由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測量范圍很窄。這種電容測量方法主要利用了電容的充放電特性 Q UC? ，放電常數(shù) RC?? ，通過測量與被測電容相關(guān)電路的充放電時(shí)間來確定電容值。這種方法中應(yīng)用了 555 芯片組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在秒脈沖的作用 下產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，來控制門電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，從而確定脈沖時(shí)間，通過設(shè)計(jì)合理的電路參數(shù)，使計(jì)數(shù)值與被測電容相對應(yīng)。 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)貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 5 頁 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： 2 / ( )F RC? ，如果 R確定，我們用單片機(jī)定時(shí)一秒鐘，就可以用計(jì)數(shù)器測量出相應(yīng)方波的頻率，此時(shí) / *C F R? ,很容易就可以換算出電容的大小。綜上所述，我們決定選用方案四來設(shè)計(jì)在線電容測量儀。在整個(gè)框圖中，處于核心地位的是作為中央處理器的單片機(jī)， 555 芯片構(gòu)成多諧振蕩器后輸出方波，由單片機(jī)接收并計(jì)算出頻率，然后再換算成電容，交由 LCD1602液晶顯示。從上世紀(jì) 80 年代，由當(dāng)時(shí)的 4 位、 8 位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300M的高速單片機(jī)。它與 MCS51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。只要程序長度小于 8K，四個(gè) I/O口全部提供給用戶。工作電壓范圍寬（ ~6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在 0Hz～ 24MHz 之間，比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz～ 12MHz 更具有靈活性 ,系統(tǒng)能快能慢。 P0 口是三態(tài)雙向口 ,通稱數(shù)據(jù)總線口 ,因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯ν獠看鎯?chǔ)器的讀 /寫操作。 10） 內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 STC89C52的主要管腳說明如下： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 8 頁 1） VCC：供電電壓。 3） P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 4） P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3口也可作為 STC89C52 的一些特殊功能口，如表 。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR 的 8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 9） PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。注意加密方式 1時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 11） XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 表 P3 口各管腳功能 端口引腳 各個(gè)功能 RXD (串行口輸入端 ) TXD (串行口輸出端 ) TNT0 (外部中斷 0 請求輸入端，低電平有 效 ) TNT1 （外部中斷 1 請求輸入端，低電平有效） T0 （定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 脈沖輸入端） T1 （定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 脈沖輸入端） WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號輸出端，低電平有效） RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號輸出端，低電平有效） AT89C52 單片機(jī)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)。常用的時(shí)鐘 電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁 圖 AT89C52 單片機(jī)時(shí)鐘電路 MCS51 單片機(jī)內(nèi)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。 電路中的電容 C1 和 C2典型值通常選擇為 30PF左右，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要根據(jù)晶振的參數(shù)來選擇。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在— 12MHz 之間。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的 NPO 高頻電容。 AT89C52 單片機(jī)復(fù)位電路 在 51 系列單片機(jī)中，在振蕩器運(yùn)行時(shí)， RST 引腳上保持到少兩 個(gè)機(jī)器周期的高電平輸入信號，復(fù)位過程即可完成。內(nèi)部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn) RST 為高電平后的第二個(gè)周期進(jìn)行的，并且此后每個(gè)周期都重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到 RST變成低電平為止。在這種情況下，把 RST 引腳通 10uF 電容接到 Vcc 并同時(shí)經(jīng)過 10K 電阻和地相連，就可獲得上電自動(dòng)復(fù)位的結(jié)果。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁 圖 AT89C52 單片機(jī)復(fù)位電路 接通電源后， Vcc 便對電容通過電阻進(jìn)行充電。在充電過程中，隨著電容電壓逐步趨于 Vcc， RST引腳上之電壓最終將接近于 0。 10uF電容足可使 RST 腳上的電壓在振蕩器啟振后尚有兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間保持高于施密特觸發(fā)器的低門檻電平，從而使整個(gè)復(fù)位過程得以完成。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。但該器件投放市場后，人們發(fā)現(xiàn)這種電路的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原設(shè)計(jì)的使用范圍，用途之廣幾乎遍及電子應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，需求量極大。 1978 年美國英 特錫爾 (Intelsil)研制成功 CMOS 型時(shí)基電路 ICM555 ICM556,后來又推出將四個(gè)時(shí)基電路集成在一個(gè)芯片上的四時(shí)基電路 558 由于采用 CMOS 型工藝和高度集成，使時(shí)基電路的應(yīng)用從民用擴(kuò)展到火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天等高科技領(lǐng)域。盡管世界各大半導(dǎo)體或器件公司、廠家都在生產(chǎn)各自型號的 555／ 556 時(shí)基電路，但其內(nèi)部電路大同小異，且都具有相同的引出功能端。它具有功能強(qiáng)、使用靈活、適用范圍寬的特點(diǎn)。從而能夠?qū)崿F(xiàn)振蕩、定時(shí)、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)速等。CMOS型的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高。它只有一個(gè)輸出端Vo， Vo可等效為觸發(fā)器的 Q端。此外，這個(gè)觸發(fā)器還有復(fù)位端 MR加上低電平 (0． 3V)時(shí)可使輸出為低電平。當(dāng) VK 端不接控制電壓時(shí)，對 TH端 (即 R端 )來講，大于 2／ 3VDD 是高電平 1，小于 2／ 3VDD時(shí)是低電平0；而對 TR端 (即端 )來講，大于 1／ 3VDD是高電平 1，小于 1／ 3VDD 是低電平 O。在實(shí)際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路。電路如圖 。 測量換擋電路 測量換擋電路如圖 。三組開關(guān)只能有一組閉合，否則程序會(huì)在 LCD 上顯示錯(cuò)誤。 根據(jù)公 式 / ( * )F R C? ， ,當(dāng) SW1 閉合時(shí)，電阻的值是 100 歐姆，于是可以得到 / 7220 / ( *1 )F C C uf??，該檔位可以測量 UF級別的電容。 同理，當(dāng) SW3 閉合時(shí)，電阻的值是 100M 歐姆，頻率 72 20 / ( *1 )F C pf? ，可以測量PF級別的電容。 LCD1602 測量顯示電路 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。 圖 LCD1602 液晶顯示 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16腳接口，其管腳說明如下 : 第 1腳： VSS為地電源。 第 3 腳： V0 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí) 對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 5 腳： RW 為讀寫信號線， 高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E端為使能端，當(dāng) E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 15～ 16腳：這兩個(gè)腳在仿真軟件中通常隱藏，但實(shí)際上是背光顯示的電源和地，不接 LCD就沒有背光，如果需要背光， 15腳通常串聯(lián)一個(gè) 1/2W， 100 歐姆以下的電阻接5V電源， 16腳接地。 表 LCD1602 內(nèi)部 11 條控制指令 它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。高電平表示有效，低電平則無效。 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：控制光貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 17 頁 標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 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)。 DL：高電平時(shí)為 4 位總線，低電平時(shí)為 8 位總線； N：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（有些模塊是 DL：高電平時(shí)為 8位總線，低電平時(shí)為 4位總線）。 指令 8： DDRAM地址設(shè)置。 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此