应用单片机设计数字电容表课程设计说明书Word文件下载.docx
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4、课程设计总结…………………………………………………………8
5、参考文献……………………………………………………………10
1、课程设计目的:
(1)掌握电子电路的一般设计方法和设计流程;
(2)学习简单电路系统设计,掌握Protel99的使用方法;
(3)掌握逻辑电路、AT89C2051及555定时器的应用。
(4)学习掌握硬件电路设计的全过程。
2、课程设计内容和要求:
(1)学习掌握AT89C2051及555定时器的工作原理及应用;
(2)熟练掌握应用Protel99设计原理图及制作PCB图的过程;
(3)整理设计内容,编写设计说明书。
设计方案:
3.1、设计思路
一:
单片机原理
用单片机设计电路,由于使用软硬件结合的方式,所以电路结构简单、调试也相对方便。
该系统以AT89C2051单片机为核心,系统框图如图1所示。
AT89C2051是Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含2KB可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128B的随机数据存储器。
器件采用AtmeI公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS51指令系统,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。
AT89C2051作为AT89C51的简化版虽然去掉了P0,P2等端口,使I/O口减少了,但是却增加了一个电压比较器,因此其功能在某些方面反而有所增强。
引脚图如图2所示。
二:
555电路的结构组成和工作原理
(1)电路组成及其引脚
(2)555的工作原理
它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关T,比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为
和
。
C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过
时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;
当输入信号自2脚输入并低于
时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时放电,开关管截止。
是复位端,当其为0时,555输出低电平。
平时该端开路或接
Vco是控制电压端(5脚),平时输出
作为比较器A1的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01
的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,以确保参考电平的稳定。
T为放电管,当T导通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路.
(3)555电路的引脚功能
触发
阈值
复位
IS
放电端
输出
>
H
导通
L
原状态
×
截止
3.2、工作原理及硬件框图
该数字电容表以电容器的充电规律作为测量依据,测试原理见图3。
电源电压E+经电阻R给被测电容CX充电,CX两端原电压随充电时间的增加而上升。
当充电时间t等于RC时间常数τ时,CX两端电压约为电源电压的63.2%,即0.632E+。
数字电容表就是以该电压作为测试基准电压,测量电容器充电达到该电压的时间,便能知道电容器的容量。
例如,设电阻R的阻值为1kΩ,CX两端电压上升到0.632E+所需的时间为1ms,那么由公式τ=RC可知CX的容量为1微法。
具体测量电路如图4所示。
图3图4
图4中,A为AT89C2051内部构造的电压比较器,AT89C2051的P1.0和P1.1口除了作为I/O口外,还有一个功能是作为电压比较器的输入端,P1.0为同相输入端,P1.1为反相输入端,电压比较器的比较结果存入P3.6口对应的寄存器。
电压比较器的基准电压设定为0.632E+,在CX两端电压从0升到0.632E+的过程中,P3.6口输出为0,当电池电压CX两端电压一旦超过0.632E+时,P3.6口输出变为1。
以P3.6口的输出电平为依据,用AT89C2051内部的定时器T0对充电时间进行计数,再将计数结果显示出来即得出测量结果。
3.3、硬件电路原理图
整机电路见图5。
电路由单片机电路、电容充电测量电路和数码显示电路等部分组成。
用555电路组成单稳电路。
当在它的第2脚加上一个负脉冲时,在它的输出端第3脚输出高电平。
设555电路输出高电平的时间为td。
从
(1)式可以求出td的大小与电容和电阻的数值有关,当td和电阻已知时,就可以用
(1)式计算出C的数值。
td=1.1RC
(1)
C=td/1.1R
(2)
在本仪器中,电阻是已知的,只要测量出555电容的容量.可见,对电容的测量实际上是对555输出高电平的时间,然后利用
(2)式就可以计算出待测输出高电平的时间的测量。
图5电路原理图
AT89C2051内部的电压比较器和电阻R2-R7等组成测量电路,其中R2-R5为
量程电阻,由波段开关S1选择使用,电压比较器的基准电压由5V电源电压经R6、
RP1、R7分压后得到,调节RP1可调整基准电压。
当P1.2口在程序的控制下输出
高电平时,电容CX即开始充电。
量程电阻R2-R5每档以10倍递减,故每档显示
读数以10倍递增。
由于单片机内部P1.2口的上拉电阻经实测约为200K,其输出
电平不能作为充电电压用,用R5兼作其上拉电阻,由于其他三个充电电阻和R5
是串联关系,因此R2,R3,R4应由标准值减去1kΩ,分别为999kΩ,99kΩ
,9kΩ。
由于999kΩ和1MΩ相对误差较小,所以R2还是取1MΩ。
数码管DS1~DS4、电阻R8~R14等组成数码显示电路。
本机采用动态扫描显
示的方式,用软件对字形码译码。
P3.0~P3.5,P3.7口作数码显示七段笔划
字形码的输出,P1.3~P1.6口作四个数码管的动态扫描位驱动码输出。
在此采
用了共阴数码管,由于AT89C2051的P1.3~P1.6口有25mA的下拉电流能力,
所以不用三极管就能驱动数码管。
R8~R14为P3.0~P3.5,P3.7口的上拉电
阻,用以驱动数码管的各字段,当P3的某一端口输出低电平时其对应的字段笔
划不点亮,而当其输出高电平时,则对应的上拉电阻即能点亮相应的字段笔划。
当接通电源以后,+5V.电源要给C3充电,C3两端电压逐渐增加,当C3两端电压为+5V时,充电结束,充电电流为0.1脚电压为0,单片机退出复位状态,进入正常工作.按钮开关K:
是手动复位键,当按下K1时,1脚为高电平,单片机进入复位状态,当放下K1时,1脚又为低电平,单片机退出复位.
AT89C2051内部有振荡电路,但需要在外部的4脚与5脚之间接一个晶体在本仪器中采用6MH:
的晶体,C:
和C:
为微调电容.
AT89C2051内部有2个可编程控制的16位定时/计数器,它们可以计时又可以计数.在本仪器中是用来计时.
定时/计数器的核心是一个加法计数器,其输入的计数脉冲有两个来源,一个是来自内部,即内部振荡器经12分频后输入加1计数器,另外一个是来自外部脉冲.定时/计数器对两个脉冲源中的一个进行计数,每输入一个脉冲,计数值加1,当计数器16位全部为1时,再输入一个脉冲,计数器回零,并使溢出位TFo置1,向CPU申请中断.定时/计数器是定时还是计数,由C/了位来决定.当C/T=0,为定时.当C/T二1为计数,在本仪器中是采用定时(计时),所LjC/T=4.
当定时/计数器用于定时(计时)时,每经过一个机器周期,定时/计数器内部的计数器加1,直到溢出.由此,定时/计数器实际上是对机器周期进行计数,由于一个机器周期包含12个振荡周期,所以定时/计数器的最高计数频率为振荡频率的1/12.在本仪器中,晶体为12MHz,一个机器周期为2us,也就是说定时/计数器每增加一个数,即增加2us.GATE为门控信号,C为定时/计数器的控制信号.当C=1时,定时/计数器的内部加1,计数器可以计数,当C=0时,则不能计数.
3.4、PCB版图设计
印刷电路板图见图6
图6PCB版图
4、课程设计总结:
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,正所谓“纸上谈兵终觉浅,觉知此事要躬行。
”学习任何知识,仅从理论上去求知,而不去实践、探索是不够,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
这次课程设计让我学到了很多,不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识,而且也培养了我的动手能力,更令我的创造性思维得到拓展,最重要的是对Protel99SE软件和EWB软件的使用有了更深入的了解。
本数字电容器是由AT89C2051及555定时器两个主要元器件设计的,AT89C2051是一个单片机,之前我们没学过单片机后来,看了题目有点摸不透头脑的感觉,后来通过上网、查书才对它的功能有所了解问题才逐步得到解决。
这种课程设计实验不仅锻炼我们动手动脑的能力,而且大大提高了我们对未知识探索的积极性,让我们对获取知识充满了极大欲望。
希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些!
5、参考文献
(1)童诗白.模拟电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2002
(2)张建华.数字电子技术.北京:
机械工业出版社,2004
(3)陈汝全.电子技术常用器件应用手册.北京:
机械工业出版社,2005
(4)毕满清.电子技术实验与课程设计.北京:
(5)潘永雄.电子线路CAD实用教程.西安:
西安电子科技大学出版社,2002
(6)张亚华.电子电路计算机辅助分析和辅助设计.北京:
航空工业出版社,2004
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