基于单片机电容测量软件设计.docVIP

1.1.2?设计要求? （1）基本部分?①?自制稳压电源。? ②?被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内?③?设计两个的测量量程。? ④?显示测量结果，测量误差小于20%。?（2）发挥部分? ①?至少设计两个以上的测量量程，使被测电容的容量扩大到100PF至100μF范围内。?②?测量误差小于10%。? 为实现该设计，达到相应的设计要求，本次设计中考虑了三种设计方案，三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同，对于本设计，三种方案均能够实现，最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了基于STC89C52单片机和555芯片构成的单稳态触发电路测量电容的方案。? 现在一一介绍论证如下。? 1.2方案Ⅰ? 如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与Cx成正比，再经峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与Cx成正比的直流电压Ux?，然后再进行A/D转换送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。（电路如图1—1所示） 设三角波函数式为：? 1.3方案Ⅱ? 用下图的框图代替A/D转换器，可得到第二种方案。图中压控振荡器输出矩形波，它的频率fx与Ux?成正比，而Ux与被测电容Cx成正比，因而fx与Cx成正比。在计数控制时间Tc等参数合适的条件下，数码管显示器的数字N与Cx的大小可符合题中所要求的函数关系。（电路如图1—2所示） 1.4方案Ⅲ? 单稳态触发器接收单片机的窄脉冲触发信号Trig,?输出一个脉冲宽度与待测电容CX?的容量成正比的信号VO。单片机通过检测VO?高电平持续时间来计算电容大小,? 并将结果显示在液晶屏上。测量过程中,?通过控制单稳态触发器的充电电阻阻值,?实现?10pF~?500uF?范围内电容的测量。（电路如图1?-?3所示） 1.5?三种方案作简单的比较? 比较上述三种方案可知，方案Ⅰ采用了A/D转换器，价格比较昂贵；方案Ⅱ比较复杂，安装调试困难；方案Ⅲ电路简单，原理清晰，易于实现，易于控制，本设计就是基于方案Ⅲ展开的。 ? ? 2.1??工作原理? 系统测量的电路原理图如图2-1?所示。电路主要由单片机U1、NE555?定时芯片U2?和检测电容CX?组成。NE555?定时器芯片的6?脚与7?脚相连,?与电阻R和待测电容CX?组成单稳态触发电路。 由图2-1可知,?NE555?定时器内部主要由电阻分压器、电压比较器OP1?~?OP2?、与非门G1?~?G3、输出缓冲反相器G?4?和集电极开路的三极管T?组成。G1、G?2?构成基本RS?锁存器。电阻R1?和电容C1?构成NE555?定时器的上电自动复位电路。复位之后,?G3的输出为高电平,?三极管T?处于饱和状态,?待测电容CX?被短路。单片机P37?引脚在上电时的默认电平是高电平。可见,?上电复位后,?比较器OP1、OP2?的输出为高电平,?R?=?S?=?1,?RS?触发器处于保持状态,?单稳态触发器输出稳态0。? 系统需要测量时,?单片机的P37?引脚上输出负向窄脉冲VTR?控制单稳态触发器进入暂态,?即可实现一次测量。工作时序图如图2-2?所示。VTR?电平变低后,?比较器OP?2?的输出为低电平。此时,?S?=?0,?R?=1,?RS?触发器处于置1?状态,?单稳态触发器进入了暂态1。G3?输出的低电平使三极管T?截至,?电源通过电阻R?开始对待测电容充电,?如图2-2?的VCX?波形所示。当VCX?上升到电源电压的三分之二后,?比较器OP1翻转,?使得R?=?0。由于VTR?的脉冲宽度为T1?,?在VCX升到三分之二电源电压前已经拉高。此时,?R?=?0,?S=?1,?单稳态触发器的暂态1?结束,?返回到稳态0,?暂态的持续时间为TW?,?如图2-2?的VO?波形所示。在暂态期间,?如果VTR?的低电平宽度变为T2?,?VCX?到达翻转点后还没有变高,?基本RS?触发器就会进入到R?=?0,S?=?0的禁止状态,?输出VO?的波形无法预测,?测量出错误结果。因此,?要保证T1???TW? 根据RC?暂态电路理论可知,?TW?的时间宽度计算公式为：? TW?=?ln3RCX??=?1.?1RCX? 由该公式可知,单稳态的暂态1?持续时间与待测电容CX?的容量成正比?。把输出信号VO?送到单片机的INT0?引脚,控制定时器0?计算出暂态1?期间的标准时钟个数,?就可实现脉冲宽度测量,?从而计算出电容容量。 2.2??硬件电路设计? ? 2.2.1??单片机电路设计? 为使单片机正常工作，除电源供电部分外，还需提供晶振电路和复位电路。具体电路如下：? ‘ 由图2-3可知，9脚外接的是按键复位电路，18,19脚外接的是晶振电路，这样，就构成了单片机正常工作的必备电路。同时，为使P