毕业设计论文基于stc89c52rc单片机的电容测试仪设计管理资料.docx

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毕业设计论文基于stc89c52rc单片机的电容测试仪设计管理资料

编号

毕业设计

题目

电容测试仪设计

学生姓名

学号

系部

专业

班级

指导教师

电容测试仪设计

摘要

随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。

因此，设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。

在系统硬件设计中，以STC89C52RC单片机为核心的电容测试仪，使用对应的振荡电路转化为频率实现参数的测量。

电容是采用555多谐振荡电路产生的，将振荡频率送入STC89C52RC的计数端端口，通过定时并且计数可以计算出被测频率，再通过该频率计算出被测参数。

在系统软件设计中，，使用C语言编程编写了运行程序；包括主程序模块、显示模块、电容测试模块。

最后，实际制作了一台样机，在实验室里进行了测试，结果表明该样机的功能和指标得到了设计要求。

关键词：

单片机，555多谐振荡电路，1602液晶屏

ThedesignofCapacitancetester

Abstract

Withthedevelopmentofelectronicindustry,electroniccomponentsrapidlyincreasedthescopeofelectroniccomponentswidelyupgradually,inapplicationsweoftenmeasuredcapacitors,thedesignofreliable,safe,convenientcapacitancetesterofgreatpracticalnecessity.

Inthesystemhardwaredesign,taketheMCS-51monolithicintegratedcircuitasthecoreresistance,theusecorrespondence'soscillatingcircuittransformsforthefrequencyrealizeseachparametersurvey.Andtheelectriccapacityisuse555multiresonantcircuitstoproduce,theoscillationfrequencywillsendSTC89C52RCthecountingtobeneat,throughandfixedtimecountsmaycalculatebythefrequencymeasurementrate,figuresoutagainthroughthisfrequencymeterismeasuredtheparameter.

Insystem'ssoftwaredesignistakeasthesimulationplatform,usedtheClanguageprogramminghascompiledthesystemapplicationsoftware;includingmasterroutinemodule,displaymodule,displaymodule,electriccapacitytestmoduleandinductancetestmodule.

Finally,theactualproductionofaprototype,testedinthelaboratoryresultsshowthattheprototypeofthefunctionsandindicatorsarethedesignrequirements.

KeyWords：

Singlesliceofmachine;555multiresonantcircuit;1602dynamicdisplaymodule

摘要ⅰ

Abstractⅱ

第一章引言1

设计背景及意义1

电容测试仪的发展历史和研究现状1

本设计所做的工作1

第二章电容测试仪的系统设计3

电容测试仪设计方案比较3

系统的原理框图4

第三章电容测试仪系统的硬件设计5

RC振荡电路的设计5

555定时器简介5

RC振荡电路的设计8

单片机电路的设计9

单片机的选择-STC89C52RC9

单片机时钟电路设计11

单片机复位电路设计13

单片机定时器/计数器设置15

显示电路的设计16

液晶显示器的选择16

显示电路设计17

第四章电容测试仪系统的软件设计18

主程序流程图18

频率参数计算的原理18

第五章PCB板的设计及系统的调试20

Protel99SE介绍与PCB板的设计20

系统的调试22

系统的测试23

第六章总结与展望25

工作总结25

技术展望25

参考文献27

致谢28

附录29

附录系统原理图及PCB29

第一章引言

设计背景及意义

目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。

因此，设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。

通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。

由于测量电容方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555定时器基础上拟定的一套自己的设计方案。

是尝试用555定时器将被测参数转化为频率，这里我们将RLC的测量电路产生的频率送入STC89C52RC的计数端端口，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。

电容测试仪的发展历史及研究现状

当今电子测试领域，电容测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。

电容测试发展已经很久，方法众多，常见测量方法如下。

近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。

测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。

随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。

从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。

在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。

本设计所做的工作

本设计是以555为核心的振荡电路，将被测参数模拟转化为频率，并利用单片机计算频率，所以，本毕业设计需要做好以下工作：

（1）学习单片机原理等材料；

（2）学习Protel99SE，；

（3）设计测量电容的振荡电路；

（4）设计LED动态显示电路；

（5）设计软件程序；

（6）用Protel99SE软件绘制电路原理图和PCB图；

（7）安装和调试，实际测试，记录测试数据及结果。

第二章电容测试仪的系统设计

电容测试仪设计方案比较

电容测试仪的设计可用多种方案完成，例如使用纯模拟电路，使用可编程逻辑控制器（PLC），CPLD与EDA相结合或振荡电路与单片机结合等等来实现。

在设计前对各种方案进行了比较：

（1）利用纯模拟电路

虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。

（2）可编程逻辑控制器（PLC）

应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。

其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。

（3）采用CPLD或FPGA实现

应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUS

集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。

但相对而言规模大，结构复杂。

（4）利用振荡电路与单片机结合

利用555多谐振荡电路将电容参数转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。

系统扩展、系统配置灵活,容易构成各种规模的应用系统。

单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。

综上所述，利用振荡电路与单片机结合实现电容测试仪更加简便可行，节约成本。

所以，本次设计选定以单片机为核心来进行。

系统的原理框图

本设计的设计思想是把电容C通过RC振荡转换成频率信号f，这样就把模拟量转化为数字量，然后送入核心进行计数后再对数据进行处理和运算求出被测电容的值，并送显示器显示。

首先设计RC振荡电路，接入被测电容后，由555定时器构成振荡器产生方波。

然后，把此脉冲信号通过接口传到STC89C52RC单片机上，对此脉冲信号进行计数，通过软件编程，使之转换成电容值，最后由1602液晶屏显示电容值。

系统主要由测量电路和控制电路两部分组成。

测量电路主要用于产生RC振荡频率f，而控制电路则用于对所产生的振荡频率进行计数处理控制并送显示等。

。

系统设计框图

框图各部分说明如下：

（1）测量部分：

该部分的功能是把电容C通过RC振荡转换成频率信号f，这样就把模拟量转化为数字量。

本设计中RC振荡是利用555定时器的振荡电路产生的。

由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，故能保证检测结果的准确性。

通过MCS-51单片机的I/O口自动识别，实现自动测量。

（2）控制部分：

本设计以STC89C51RC单片机为核心，利用其管脚的特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和LED显示功能等。

本设计中采用1602液晶屏构成显示器，直观易懂，操作简单，且能降低功耗。

第三章电容测试仪系统的硬件设计

RC振荡电路的设计

建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电，对于RC振荡电路来说，直流电源即是能源，自激的因素是微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，为此采用555定时器来产生RC振荡频率。

555定时器简介

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐定时器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。

因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

（1）555定时器内部结构

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图3.1（A）（B）部分所示。

555定时器内部结构

它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。

分压器由三个5KΩ的等值电阻串联而成。

分压器为比较器N1、N2提供参考电压，比较器N1的参考电压为

，加在同相输入端，比较器N2的参考电压为

，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放N1、N2组成。

高电平触发信号加在N1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器

端的输入信号；低电平触发信号加在N2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器

端的输入信号。

基本R-S触发器的输出状态受比较器N1、N2的输出端控制。

（2）多谐定时器工作原理

由555定时器组成的多谐定时器如图3.2（C）部分所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。

（D）部分所示。

定时器工作原理

设电容的初始电压Uc＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTH＝VTL＝0<

，比较器N1输出为高电平，N2输出为低电平，即

=1，

=0（1表示高电位，0表示低电位），R-S触发器置1，定时器输出u0=1此时

=0，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1，R2向电容C充电，uc逐渐升高。

当uc上升到

时，N2输出由0翻转为1，这时

=

=1，R-S触发顺保持状态不变。

所以0

t=t2时刻，uc上升到

，比较器N1的输出由1变为0，这时

=0，

=1，R-S触发器复0，定时器输出u0=0。

t1

=1，放电三极管T导通，电容C通过R2放电。

uc按指数规律下降,当uc<

时比较器N1输出由0变为1，R-S触发器的

=

=1，Q的状态不变，u0的状态仍为低电平。

t=t2时刻，uc下降到

，比较器N2输出由1变为0，R-S触发器的

=1，

=0，触发器处于1，定时器输出u0=1。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u0=1，电容放电时，u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

多谐定时器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

（3）振荡周期

由图（D）可知，振荡周期

。

T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。

充电时间：

（3-1）

放电时间：

（3-2）

矩形波的振荡周期：

（3-3）

对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：

占空比q，q=（脉宽tw）/（周期T），tw指输出一个周期内高电平所占的时间。

图（C）所示电路输出矩形波的占空比：

（3-4）

RC振荡电路的设计

本电容测试仪的设计采用的“脉冲计数法”，就利用了555芯片产生多谐振荡这一原理来设计的。

由555芯片构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。

RC振荡电路输出的是矩形波脉冲，。

这是因为T0设置为定时器，计内部脉冲，STC89C52RC单片机设置为计数器计外部脉冲。

。

RC振荡电路

接通电源后，C2、CX被充电，A点电压VC上升。

当VC上升到

时，触发器被复位，同时555芯片内部放电三极管导通，此时V0为低电平。

C2、CX通过R2和放电三极管放电，使VC下降。

当VC下降到

时，触发器又被置位，V0翻转为高电平。

C2、CX放电所需的时间为：

（3-5）

式中：

当放电结束时，放电三极管截止，VCC通过R1、R2向C2、CX充电，V由

上升到

所需的时间为：

（3-6）

当VC上升到

时，触发器翻转，如此周而复始，在输出端得到一个周期性的方波，其频率为：

（3-7）

根据555多谐振荡器频率计算公式及电容串联计算公式可推出：

（3-8）

整理得：

（3-9）

由上式可知，当电路设计完成后，所有参数除频率f外均为定值，且f随CX的变化而唯一改变。

当电容较小时，脉冲频率之间相差上百甚至上千，电路中的电阻应做相应的调整。

记录一秒钟内脉冲的数量，由查表可得到相对应的电容值。

单片机电路的设计

单片机的选择-STC89C52RC

自1974年美国Fairchild公司研制出第一台单片机F8以来，单片机经历了由4位机到8位机再到16位、32位机的发展过程。

近年来，32位单片机已进入了实用阶段，但是由于8位单片机在性能价格比上占有优势，并且8位增强型单片机在速度和功能上可向现在的16位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内，8位单片机仍是单片机的主流机型。

Intel公司于1976年推出了MCS-48系列单片机，于1980年推出了MCS-51系列单片机，于1983年推出了MCS-96系列单片机。

1．MCS-51系列单片机

MCS-51系列单片机是一种高性能的8位单片机，它是在MCS-48系列单片机的基础上推出的第二代单片机。

其典型产品为8051，封装为40引脚。

8051单片机片内含有4KB的ROM，ROM中的程序是由单片机芯片生产厂家固化的，适合于大批量的产品；8751单片机片内含有4KB的EPROM，单片机应用开发人员可以把编好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；8031片内没有程序存储器，当在单片机芯片外扩展EPROM后，就相当于一片8751，此种应用方式方便灵活。

这三种芯片只是在程序存储器的形式上不同，在结构和功能上都一样。

。

MCS-51系列单片机常用产品特性一览表

型号

片内存储器（B）

I/O口线

定时/计数器

片外存储器（B）

程序存储器

数据存储器

程序存储器

数据存储器

8051

4KROM

128

32

2个16位

64K

64K

8751

4KEPROM

128

32

2个16位

64K

64K

8031

无

128

32

2个16位

64K

64K

80C51

4KROM

128

32

2个16位

64K

64K

8051

4KROM

128

32

2个16位

64K

64K

8751

4KEPROM

128

32

2个16位

64K

64K

8031

无

128

32

2个16位

64K

64K

80C51

4KROM

128

32

2个16位

64K

64K

87C51

4KEPROM

128

32

2个16位

64K

64K

2．其他51系列单片机

（1）AT89系列单片机

AT89系列单片机是美国ATMEL公司的8位Flash单片机产品，与MCS-51系列的单片机软硬件兼容。

该系列中有20引脚封装的产品，体积的减小使其应用更加灵活。

时钟频率的提高可使运算速度加快。

在片内含有Flash存储器，Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器（简记为FPEROM），这使开发调试更为方便。

AT89系列单片机常用产品特性一览表

型号

片内存储器

I/O口线

定时/计数器

模拟比较器

中断源

串行口

程序存储器

数据存储器

89C1051

1KBFEPROM

64B

15

1个16位

1个

3个

无

89C2051

2KBFEPROM

128B

15

2个16位

1个

5个2级

UART

89C51

4KBFEPROM

128B

32

2个16位

无

5个2级

UART

89C52

8KBFEPROM

256B

32

3个16位

无

6个2级

UART

（2）其他MCS-51系列兼容单片机

为了进一步增强MCS-51系列单片机的功能，一些单片机生产厂商还对MCS-51系列单片机的硬件进行了扩充。

如PHILIPS的8XC552系列，在80C51的基础上增加了一个16位的定时/计数器和一个8路输入的10位A/D转换器，并配有串行总线接口；80C51XA使单片机位数增至16位；Intel公司的80C51GA/GB也增加了A/D转换功能。

（3）我国宏晶科技STC系列单片机

我国宏晶科技公司的STC系列单片机具有低成本，速度快，功耗低，兼容性好的特点。

设计选用宏晶科技的STC89C52RC单片机作为系统计算核心。

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代

码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟机器/周期可任意选择。

主要特性如下：

1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.

2.工作电压：

～（5V单片机）/～（3V单片机）

3.工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

4.用户应用程序空间为8K字节

5.片上集成512字节RAM

6.通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/,TxD/）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

8.具有EEPROM功能

9.具有看门狗功能

单片机时钟电路设计

时钟电路用于产生STC89C52RC单片机工作时所必需的时钟信号。

STC89C52RC本身就是一个复杂的同步时序电路。

为保证同步工作方式的实现，STC89C52RC单片机应该在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊的一拍拍的工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。

常用时钟电路有两种方式，一种是外部时钟方式，另一种是内部时钟方式。

1.外部时钟方式

外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片STC89C52RC单片机同时工作，以便于同步。

对外部脉冲信号的要求一般为低于12MHz的方波。

外部时钟源直接接到XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。

。

由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，~10K的上拉电阻。

单片机外部时钟方式电路

2.内部时钟方式

STC89C52RC单片机内部有一个构成振荡器的高增益发相放大器，该高增益发相放大器

的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，。

单片机内部时钟方式的电路

本设计采用内部时钟方式，选用6MHZ的石英晶体。

外接电容的大小会影响晶体振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性。

故电路中的外接电容C1,C2选用30pF来保证电路的稳定性和精确度，为了提高温度稳定性，采用温度稳定性好的NPO高频电容。

在安装时，晶体和电容尽可能和单片机安装的近一点，目的是减少寄生内容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作。

单片机复位电路设计

复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚上加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使STC89C52RC单片机复位。

复位的主要功能是把PC初始化为0000H，是STC89C52RC单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为了摆脱死锁状态，也可按复位键重新启动。

STC89C52RC的复位是由外部的复位电路实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

只要VCC上升的时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

上电自动复位电路

除了上电复位，有时候还需要按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端经