【正文】 ......... 17 目錄 5 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)調(diào)試 ......................................... 20 6 致謝 ...................................................... 23 參考文獻(xiàn) .................................................... 24 附 錄 ...................................................... 25 附錄 1 源程序 ................................................ 25 附錄 2 總電路圖 ............................................... 37 附錄 3 元器件清單 ............................................. 38 附錄 4 pcb 設(shè)計(jì)圖 ............................................. 39 附錄 5 實(shí)際作品 ............................................... 40 1 前言 1 1 前言 目前，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，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小。因此在生產(chǎn)這一環(huán)節(jié)中，對其產(chǎn)品的檢測至關(guān)重要，而檢測電子產(chǎn)品是否符合出產(chǎn)要求的關(guān)鍵在于檢測其內(nèi)部核心的電路，電路的好壞決定了電子產(chǎn)品的好與壞，而電容在基本的電子產(chǎn)品的集成電路部分有著其不可替代的作用。因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。電容通常以傳感器形式出現(xiàn)，因此，電容測量技術(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。電容測量技術(shù)發(fā)展也很快現(xiàn)在的電 容測量技術(shù)也由單一化發(fā)展為多元化。中國本土測量儀器設(shè)備發(fā)展的主要瓶頸。每當(dāng)提起中國測試儀器落后的原因，就會有許多不同的說法，諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等。由于人們的傳統(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，而測試則處于從屬和輔助位置。這種錯誤觀念上的原因，造成整個社會對測試的重視度不夠，從而造成測試儀器方面人才的嚴(yán)重前言 2 匱乏，造成相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究比較薄弱，這是中國測量儀器發(fā)展的一個主要瓶頸。 。傳統(tǒng)的營銷模式在計(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。特別是隨著國內(nèi)應(yīng)用需求的快速增長，為這一過渡提供了根本動力，應(yīng)該利用這些動力，跟蹤應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。由于歷史的原因，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)，標(biāo)準(zhǔn)化的研究也沒有跟上需求的快速發(fā)展，從而導(dǎo)致儀器的材料配套行業(yè)的技術(shù)水平較低。還有，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。 近年來我國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。隨著模塊化和虛擬技 術(shù)的發(fā)展，為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機(jī)，加上各級政府日益重視，以及中國自主應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究的快速進(jìn)展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機(jī)遇。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品?，F(xiàn)在一一介紹論證如下： 方案一、利用多諧振蕩原理測量電容測量原理如 圖 所示。在電源剛接通時 (K 合上 )，電容 C 上的電壓為零，多諧振蕩器輸出 Vo 為高電平 Vo 通過 R 對電容 C 充電。當(dāng) Vc= VT 時施密特觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)，輸出 Vc 又變?yōu)楦唠娖?，如?往復(fù)產(chǎn)生震蕩波形。實(shí)際應(yīng)用中也可以通過測量 fo 和 fx 來算出 Cx。這樣單片機(jī)晶振頻率的絕對精度，環(huán)境溫度的變化和電源電壓的絕對精度引起的誤差被消除。 這種方法的利用了一個參考的電容實(shí)現(xiàn)，雖然硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件實(shí)現(xiàn)卻相對比較復(fù)雜。一般情況下，可設(shè)計(jì)電路使 T=ARC( T 為振蕩周期或觸發(fā)時間； A 為電路常數(shù)與電路參數(shù)有關(guān) )。其原理框圖如圖 所示。 這種方法硬件結(jié)構(gòu)相對 復(fù)雜，實(shí)際上是通過犧牲硬件部分來減輕軟件部分的負(fù)擔(dān)，但在具體設(shè)計(jì)中會碰到很大問題，而且硬件一旦設(shè)計(jì)好，可變性不大。計(jì)算頻率的方法可以利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 To 和中斷 INTO————— 配合使用來測量，這種研究方法相當(dāng)?shù)暮唵巍? 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 6 圖 系統(tǒng)框圖 圖中給出了整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由四個主要部分組成，單片機(jī)和晶振電路設(shè)計(jì)， 555 芯片電路設(shè)計(jì)，顯示電路設(shè)計(jì)，復(fù)位電路設(shè)計(jì)。而且他們都無法直觀的把測量的電容值大小顯示出來。該方案主要是根據(jù) 555 芯片的應(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 555 輸出的頻率進(jìn)行測量。 AT89C51 單 片機(jī)基本系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)的核心是單片機(jī)電路，考慮到需要一個中斷輸入，存儲容量、外部接口對單片機(jī)端口的需要以及兼顧到節(jié)約成本的原則，選用了常用的 AT89C51單片機(jī)。它采用 Atmel 公司的非易儲器制造技術(shù)，與 MCS51 的指令設(shè)置和芯片引腳可兼容。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別 是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 7 圖 AT89C51單片機(jī)工作電路 AT89C51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。按鍵脈沖復(fù)位則是利用 RC 微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的。在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，若有外部擴(kuò)展的I/O 接口電路需初始復(fù)位，如果它們的復(fù)位端和 AT89C51 單片機(jī)的復(fù)位端相連，復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要受到影響，這時復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要統(tǒng)一考慮以保證可靠的復(fù)位 。一般來說，單片機(jī)的復(fù)位速度比外圍 I/O 快些。為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在初始化程序中應(yīng)用到一定的復(fù)位延遲時間。此電路的輸出端 RESET 接在單片機(jī)的復(fù)位引腳。時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個用與構(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。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。 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 9 測量電路 555 測量電路 圖 測量電路 根據(jù) RC 暫態(tài)電路理論可知 , TW 的時間寬度計(jì)算公式為： TW = ln3RCX = 1. 1RCX （ ） 由該公式可知 ,單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài) 1 持續(xù)時間與待測電容 CX 的容量成正比 。 在 555 芯片輸出方波后，由于硬件的原因，輸出的方波會有很多毛刺，為了去除這些毛刺本設(shè)計(jì)中使用了一個兩輸入與門（ 74HC08），讓信號通過74HC08 后會使輸出的波形毛刺減少 很多，使單片機(jī)的測量結(jié)果變得精確。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型開關(guān)，平時按鍵的兩個觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵是它們閉合。在單片機(jī)組成的電路系統(tǒng)及智能化儀器中，用的更多的是非編碼鍵盤。 繼電器控制電路 在大型儀器儀表系統(tǒng)中 ,經(jīng)常要用到伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥、泵等驅(qū)動電壓高且功率較大的器件。功率驅(qū)動電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個重要組成部分。 ULN2020a能夠同時驅(qū)動 7組高壓大電流負(fù)載 ,解決了單片機(jī)輸出電流小，難以控制繼電器的問題。具體原理在軟件算法設(shè)計(jì)上介紹。我選用的是 16 腳帶背光的 LCD，在 Proteus 里面沒有該引腳，在 ares 中繪制 PCB封裝時，我將其加上了。單片機(jī)的 、 、 分別與LCD 的 4， 5， 6 引腳相連，分別控制 LCD 的寄存器選擇段，讀寫信號端，使能端相連接，與 D0D7 相結(jié)合，控制 LCD 的各種功能。在前面的介紹中我們知道： 555 時基芯片的輸出頻率跟所使用的電阻 R 和電容 C 的關(guān)系是： f=（ R*Cx）。 圖 時序圖 則： 60 .7 7 2* * 1 0CN R ?? () 單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的值 N=065535，為了測量的精度， N 的取值一般在100~5000，當(dāng)電阻 R 越大，電容 C 的值就越小。 第一檔： R1= C=100N *106*10 C=100N *10μF 10μF~500μF 第二檔： R1= C=100N *106 C= 100N *1μF 1μF~50μF 第三檔： R1= C= 100N *102*106 C= 100N *102*1μF ~5μF 第四檔： R1=772KΩ C= 100N *104*106 C= 100N *104*1μF 100pF~ 第五檔： R1= C=100N *105*106 C=100N *105*1μF 50pF~500pF 程序流程圖設(shè)計(jì) 流程圖是一種傳統(tǒng)的算法表示法，它利用幾何圖形的框來代表各種不同性質(zhì)的操作，用流程線來指示算法的執(zhí)行方向。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13 主程序流程圖 錯誤 !未找到引用源。因?yàn)椴煌砍虒?yīng)的算法不一樣，因此要先檢測量程，再進(jìn)行計(jì)算。 圖 中斷程序流程圖 如圖 所示，本中斷程序 選用外部中斷 0，即 void int0(void) interrupt 0 。并且在初始化的時間設(shè)置計(jì)數(shù)器的工作方式，設(shè)置外部中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，這樣可以使 555 發(fā)出的方波在相鄰的下降沿之間觸發(fā)中斷，計(jì)算 555 發(fā)出方波的周期，從而計(jì)算電容的大小。 IT0=1。 }。當(dāng)再次間的放到 555 發(fā)出方波的下降延時，停止 T0。 LCD 顯示流程圖 錯誤 !未指定書簽。每執(zhí)行一個指令，單片機(jī)都要等一等 LCD。 圖 按鍵選擇量程程序流程圖 錯誤 !未找到引用源。在這里按鍵程序我寫到了前面，因?yàn)橹挥邢韧ㄟ^檢測按鍵，單片機(jī)才能控制繼電器調(diào)到指定量程，進(jìn)而才能使555 發(fā)出在規(guī)定范圍內(nèi)的方波。圖 是通功按鍵控制繼電器選擇量程的子程序流程圖。 proteus 不僅具有仿真功能，而且具有 PCB 設(shè)計(jì)功能，這樣直接可以將仿 真好的原理圖文件生成 PCB網(wǎng)絡(luò)連接圖，這樣免去了再次畫原理圖的麻煩。 Protel 是 Altium公司在 80 年代末推出的 EDA 軟件，目前已經(jīng)發(fā)展到 altium designer 2020，而國內(nèi)很多 PCB 廠商還只能識別 Protel99 設(shè)計(jì)的板子，這也凸顯了國內(nèi) PCB 行業(yè)較落后的現(xiàn)狀。由于第一次使用 ares，很多 功能都不是很懂，很多原件封