基于51單片機(jī)的數(shù)字電容測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-在線瀏覽
2024-08-08 00:16本頁(yè)面
【正文】 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。GG 2 構(gòu)成基本RS 鎖存器。復(fù)位之后, G3的輸出為高電平, 三極管T 處于飽和狀態(tài), 待測(cè)電容CX 被短路?？梢? 上電復(fù)位后, 比較器OPOP2 的輸出為高電平, R = S = 1, RS 觸發(fā)器處于保持狀態(tài), 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出穩(wěn)態(tài)0。工作時(shí)序圖如圖22 所示。此時(shí), S = 0, R =1, RS 觸發(fā)器處于置1 狀態(tài), 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入了暫態(tài)1。當(dāng)VCX 上升到電源電壓的三分之二后, 比較器OP1翻轉(zhuǎn), 使得R = 0。此時(shí), R = 0, S= 1, 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)1 結(jié)束, 返回到穩(wěn)態(tài)0, 暫態(tài)的持續(xù)時(shí)間為TW , 如圖22 的VO 波形所示。因此, 要保證T1 TW 。把輸出信號(hào)VO 送到單片機(jī)的INT0 引腳,控制定時(shí)器0 計(jì)算出暫態(tài)1 期間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘個(gè)數(shù), 就可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度測(cè)量, 從而計(jì)算出電容容量。具體電路如下： 圖23 單片機(jī)工作電路由圖23可知，9腳外接的是按鍵復(fù)位電路，18,19腳外接的是晶振電路，這樣，就構(gòu)成了單片機(jī)正常工作的必備電路。 555時(shí)鐘芯片與單片機(jī)連接圖24是555時(shí)鐘芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，6腳和7腳接在一起，R2和C4構(gòu)成商店復(fù)位電路，用于門控制計(jì)時(shí)器0的啟動(dòng)與停止。圖24 555芯片與單片機(jī)的連接 低脈沖產(chǎn)生電路如圖25所示，即外部中斷1接口，因此低脈沖是利用中斷實(shí)現(xiàn)的，可在軟件中的外部中斷1函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過程為，需要測(cè)量時(shí)，按鍵，產(chǎn)生外部中斷，利用外部中斷，之所以利用中斷實(shí)現(xiàn)該功能，是為了增加產(chǎn)品的可靠性，因?yàn)榘存I的時(shí)間是比較長(zhǎng)的，直接用按鍵產(chǎn)生低脈沖可能導(dǎo)致T1 Tw ，導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。圖25 按鍵產(chǎn)生低脈沖電路 鍵盤電路如圖26所示鍵盤電路主要用于與用戶進(jìn)行交互，如用戶需要選擇量程時(shí)，就必須交互。圖26 鍵盤電路 指示燈電路如圖27所示，指示燈主要用于給用戶以提示，如當(dāng)前量程提示，超量程提示等等。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(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以利用典型的三極管驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，雖然選擇的是芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，在這里也將典型的三極管驅(qū)動(dòng)電路列于此。圖28 實(shí)現(xiàn)量程選擇電路圖29 利用三極管的驅(qū)動(dòng)電路 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(cè)量信息。 軟件設(shè)計(jì)軟件編程平臺(tái)選擇最常用的keil軟件。在編程中，將該程序分為三個(gè)模塊：延時(shí)模塊，1602顯示模塊及主函數(shù)模塊。具體程序見附錄二。 量程范圍設(shè)置由于量程的選擇是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在這里單獨(dú)討論量程的選擇。同時(shí), 為減小量化誤差對(duì)結(jié)果的影響, 要求TW 1 微秒。為滿足10pF ~ 500uF 的測(cè)量范圍, 可通過設(shè)置不同充電電阻R 的阻值來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)分為四個(gè)量程, 可測(cè)量10pF ~ 500uF 的電容。 設(shè)計(jì)結(jié)果圖213 設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)物圖各個(gè)按鍵功能如圖中文字說明。 測(cè)量100nf的電容在此以100nf電容測(cè)試為例，演示整個(gè)測(cè)試過程。104的電容實(shí)物如圖214所示。若量程選擇錯(cuò)誤，測(cè)試結(jié)果如圖216所示。圖218 測(cè)試結(jié)果將測(cè)量的一系列電容的電容值與標(biāo)準(zhǔn)值比較。表31 測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)量值誤差300pf320pf%100nf%%100uf%由表31中數(shù)據(jù)可知，平均誤差是6%,低于設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求的10%，測(cè)量范圍是10pf~500uf，滿足設(shè)計(jì)要求的100pf~100uf。綜合以上分析，該設(shè)計(jì)滿足整體設(shè)計(jì)要求。電容測(cè)量的誤差主要由NE555 定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差T 、計(jì)數(shù)器的量化誤差??N 和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖的頻率偏移TC 產(chǎn)生[2] [ 3] 。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。通過設(shè)置充電電阻R 的阻值, 使TW 達(dá)到毫秒級(jí)時(shí), 量化誤差的影響非常小, 可以忽略。4 結(jié)論與心得體會(huì)總之，通過一系列仿真和設(shè)計(jì)，數(shù)字式電容測(cè)量?jī)x還是比較成功的做出來了。于是想到可以由用戶按鍵通知單片機(jī)選擇量程，用單片機(jī)控制某種芯片來選擇不同的路徑，從而引入不同的電阻。至此，解決了量程選擇問題。就這樣，一步一步，最后又選擇以ULN2003作為驅(qū)動(dòng)。其次，軟件設(shè)計(jì)也遇到了很多問題，通過很長(zhǎng)的時(shí)間才調(diào)試成功。實(shí)踐方面，提高了動(dòng)手能力，提高了解決實(shí)際問題的能力等等。5 參考文獻(xiàn)【1】 《單片機(jī)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，2007【2】 《數(shù)字式電容測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)》 張玉芹, 洪遠(yuǎn)泉 廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2011 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(gè)（2）stc89c52芯片一片（3）30pf 2個(gè)；10uf 1個(gè)；470uf 1個(gè)； 2個(gè)； 1個(gè)；1nf 1個(gè)（4）40腳活動(dòng)底座一個(gè)（5）lcd液晶一個(gè)（6）按鍵6個(gè)（7）發(fā)光二極管6個(gè)（8）9引腳排阻 1個(gè)（9）680Ω 6個(gè)；10k 1個(gè)；1k 2個(gè)；1k滑動(dòng)變阻器 1個(gè)；10M 1個(gè)；100k 1個(gè)；100Ω 1個(gè)；2k 1個(gè)；200Ω 1個(gè)；（10） 開關(guān)1個(gè)（11） 整流橋1個(gè)（12）7805穩(wěn)壓芯片1片（13） 繼電器 3個(gè)（14） ULN2003 1片（10）排針若干，杜邦線若干附錄2 程序清單分5個(gè)文件：， ，(a) ：ifndef __delay_h__define __delay_h__define uchar unsigned chardefine uint unsigned intvoid delay_us(uint t)。endif(b) 程序清單：include void delay_us(uint t){ uchar i。t0。i12。 } }}void delay_ms(uint t){ uchar i。t0。i125。 } }}(c) ：ifndef __1602_h__define __1602_h__include sbit RS = P2^2。sbit EN = P2^0。void LCD_write_(unsigned char )。 void LCD_init(void)。 void disp(unsigned char *p)。void dispchar2(unsigned char *p)。endif(d) ：include include void LCD_write_(unsigned char ) { RS_CLR。 EN_SET。 P1 = 。 EN_CLR。 RW_CLR。 Data = pro_data(Data)。 delay_us(5)。} void LCD_init(void) { LCD_write_(0x38)。 LCD_write_(0x38)。 LCD_write_(0x38)。 LCD_write_(0x38)。 // 顯示關(guān)閉 LCD_write_(0x01)。 // 顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置 delay_ms(5)。 // 顯示開及光標(biāo)設(shè)置}void lcd_pos(unsigned char pos){ LCD_write_(0x80|pos)。 lcd_pos(0x43)。i6。 } LCD_write_Data(39。+(*p))。 } } void dispchar1(unsigned char *p) // 第一行顯示需要顯示的提示字符串{ lcd_pos(0x00)。\039。 p++。 LCD_write_Data(39。)。 while(*p != 39。) { LCD_write_Data(*p)。 } }void dispchar3(unsigned char *p) // 第一行顯示 第二行清空{(diào) unsigned char i。 while(*p != 39。) { LCD_write_Data(*p)。 } lcd_pos(0x40)。i16。 3
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