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1、摘要当前现代化电子市场正朝着快速及便利同时大容量的方向发展，现代电子产品几乎能运用到社会的各个领域当中，有力的推动了社会现代化的发展。同时，电子产品也被要求以更快速度的升级和更快速的处理。本设计以STC89C52单片机和555振荡器作为主要元件，来实现对电容容量的基本测量。本设计基于555振荡器构成多谐振荡器来产生输入脉冲信号，然后再通过STC89C52单片机对方波脉冲进行中断计数而测量电容的。在多谐振荡器输出端加入一个74HC08使输出波型毛刺减少，从而使单片机测量结果变精确。555振荡器所产生的信号会根据所选的电阻的阻值不同，从而调节电容的参数值，这样就可以确定被测电容的容值范围，最后通过
2、LCD1602显示器显示被测电容容值。在软件设计中，该设计使用C语言来编写程序。该仪器具有方便快捷，简单实用，价格低廉等特点。关键词：电容测量;555振荡器;STC89C52;LCD1602AbstractThe current modern electronic market is headed in fast and convenient large capacity and the direction of development, modern electronic products to use to almost all areas of society of powerful p
3、romoted the development of modern society. At the same time, the electronic products also are required to faster speed upgrade and more fast process.This design to STC89C52 single-chip microcomputer and 555 oscillator as the main components, to realize the basic capacity of capacitance measurement.
4、This design based on the 555 oscillator to generate more than a harmonic oscillator input pulse signal, and then through the STC89C52 microcontroller each other to interrupt pulse count and measurement of capacitance. In order to join the output oscillator a 74 HC08 to make the output waveform burr
5、reduced, so that the single chip microcomputer variable precision measurement results. 555 oscillator generated signal will be selected according to the resistance of the resistance is different, which regulates capacitance parameter value, which can determine the capacity of the capacitance value r
6、ange, the last through the LCD1602 display shows measured capacitance let value. In software design, this design using C language to write the program. The instrument has convenient and quick, simple, practical, and low prices, etc.Keywords: capacitance measurements;555 oscillator;STC89C52;LCD1602目录
7、摘要IAbstractII目录I1 绪论1 1.1 引言12 STC89C52单片机的基本功能及应用2 2.1 STC89C52芯片介绍2 2.2 STC89C52应用说明3 2.3 单片机工作的最小化配置43 系统设计5 3.1 设计要求5 3.2 整体方案设计54 硬件设计9 3.1 时钟电路9 3.2 按键电路9 3.3 复位电路10 3.4 555芯片电路11 3.5 显示电路135 程序设计156 总结16参考文献17附录18 附录1 实物图18 附录2 元件清单19 附录3 系统原理图20 附录4 程序清单21致谢271 绪论1.1 引言当前现代化电子市场正朝着方便快捷容量大的方向
8、发展，现代电子产品几乎能运用到社会的各个领域当中，有力的推动了社会现代化的发。同时，电子产品也面临着更快速度的节奏升级和更快速的处理功效。当今电子测试领域，电容测量技术已经应用的非常广泛了，数字电容测量技术的发展主要取决于电容传感器的发展。由最初的用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器到现在主要使用容栅式电容传感器，陶瓷电容压力传感器等。电容测量技术也从单一化向多元化发展。虽然国内电容传感器方面的厂家越来越多，但是每当提起国内电容测量仪器，用户就会有很多看法。如：诸如精度不高，外观不好，可靠性差等。近年来我国在电子测量仪器的精准度方面投入了很多人力物力，状况有了很大改观。中国本土的仪器制造与
9、生产已经取得了很大的进步，特别是在电子测量这个领域，与国外的差距正在逐日减少，并对国外电子设备巨头产生了一定的影响。随着现代化技术的提高与政府的重视，中国的的测量仪器每年都以30%的速度增长，同时也催生除了大批创新型企业和产品。其实影响国内测量技术的根本原因是：电容测量是一项很基础的研究工作，在日常的电路研究及实验中，电容作为一个使用非常频繁的电子元件，实际电路对电容的研究越来越精确。如果电容测量达不到一个很准确的水品，会直接的影响到各项科技的提升和进步，因此研究电容测量技术具有非常重要的意义。传统电容测量仪精度不高，测量不够便利，因此我选择一个数字电容测量仪来测量电容的容值大小。该数字电容仪
10、有方便，精度高的优点，这也使我的选题有了更大的意义，并提高了我对做毕业设计的兴趣。 2 STC89C52单片机的基本功能及应用2.1 STC89C52芯片介绍STC89C52是一种低电压、高性能的CMOS 8位微处理器，具有8K在系统可编程的Flash处理器。STC89C52对比51单片机具有更大的数据存储空间，并且带有4K字节EEPROM存储空间，使得该单片机比51单片机存储空间更大，数据处理速度也更快。在单片机芯片上，该芯片拥有灵巧的8 位CPU 和在系统内可编程的Flash，这使得STC89C52单片机相比其它单片机有了很大的提高，大大提高了它在各种电子系统中的使用。STC89C52是由
11、一个时钟电路OSC、一个程序存储器ROM、一个数据存储器RAM和一个定时器/计数器组成。程序存储器跟数据存储器分为了两个不同的逻辑存储空间，这样就可以用8位地址对数据及程序存储器来进行访问，通过这样可以提高8位CPU的存储和处理速度。 STC89C52芯片引脚分布及说明：图1 STC89C52引脚分布在本次设计中，使用到该芯片的部分引脚，其主要功能如下：RST：复位电路输入端，高电平有效。在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。在单片机正常工作时，此引脚应为0.5V的低电平。P0 口：8位。漏极开路的双向I/O口。P1 口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P2
12、 口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P3 口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。ALE/PROG：ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将低8位地质所存在片外的地址锁存器中。PROG为该引脚的第二功能，即在对片内Flash存储器编程是，此引脚作为编程脉冲输入端。PSEN：片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。EA/VPP：EA为该引脚的异地功能，即外部程序存储器访问允许控制端。VPP位该引脚第二功能，即在对片内Flash进行编程时，VPP引脚接入编程电压。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外
13、部石英晶体和微调电容；当采用外接时钟源时，该引脚接外部时钟振荡器的信号。 XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外部时钟源时，该引脚悬空。INT0：外部中断请求0，中断请求信号由INT0引脚输入，中断请求标志为IE0。INT1：外部中断请求1，中断请求信号由INT1引脚输入，中断请求标志为IE1。TO:计数器/定时器T0计数溢出发出的中断请求，中断请求标志为TF0。T1：计数器/定时器T1计数溢出发出的中断请求，中断请求标志为TF1。2.2 STC89C52应用说明 STC89C52主要性能如表1所示:表 1 STC89C52主要
14、性能STC89C52各引脚性能STC89C52各引脚性能与MCS-51单片机产品兼容1000次擦写周期三级加密程序存储器三个16位定时器/计数器全双工UART串行通道掉电后中断可唤醒 双数据指针8K字节在系统可编程Flash存储器全静态操作：0Hz33Hz32个可编程I/O口线八个中断源低功耗空闲和掉电模式看门狗定时器掉电标识符2.3 单片机工作的最小化配置单片机的最小化系统简称单片机最小应用系统，通俗的讲就是单片机工作所用的最少元件。如图2所示，最小系统一般包括只需要单片机、晶振电路和复位电路这三部分就可以让单片机正常工作。该设计的时钟电路由12M的晶振及两个30P的电瓷电容组成，它们共同决
15、定了单片机的机器周期为1us。该复位电路由一个10UF电容一个200欧电阻和10K电阻共同组成。图2 STC89C52的最小化配置3 系统设计3.1 设计要求1、 实现电容容量的基本测量功能；2、 实现电容容量的数字显示；3、 要求测量范围1pF-100uF；4、 方便、快捷且成本低廉。3.2 整体方案设计本设计的整体思路是：根据555振荡器的特点，将电容容值的大小转变成555振荡器输出频率的大小，从而通过STC89C52单片机对555正当器输出频率大小的测量来确定被测电容的容值。本次设计共使用2个方案，具体可见下面的方案一和方案二：（1） 方案一：根据电容充放电时间确定电容容值 这种电容测量
16、方法主要利用电容的充放电特性：同时放电常数r=RC，通过测量电容被测电容的充放电时间来确定被测电容的容值大小。一般情况下，可设计电路使T=ARC（T为振荡周期或处罚时间；A为电路常数与电路参数有关）。这种方法可以使用于由555振荡器组成的单稳态触发器，在秒脉冲的作用下产生触发脉冲，来控制门电路实现计数，从而确定脉冲时间，通过设计合理的电路参数，使计数值与被测电容相对应。其系统框图如图3所示：显示译码器反相器锁存器单稳态触发器计数器窄脉冲触发器标准计数脉冲秒脉冲发生器图3 方案一系统框图这种方法硬件结构相对复杂，实际上是通过牺牲硬件部分来减轻软件部分的负担，虽然软件设计会非常简单。但是使用这种方
17、法在具体设计中会碰到很大的问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大，一旦功能不能完全实现，硬件修改起来就会非常麻烦。（2） 方案二：基于STC89C52和555振荡器多谐振荡电路电容测量该方案是通过一块555芯片来测量电容，让555芯片工作在直接反馈无稳态的状态下，使555芯片输出一定频率的方波，其频率的大小跟被测量的电容之间的关系是：我们固定R的大小，其公式就可以写为：因此，只要我们能够测量出555芯片输出的频率，就可以计算出被测电容的容值。计算频率的方法可以利用单片机的计数器T0和中断INT0配合使用来测量，这种研究方法相当的简单。系统框图见图4：S T C 8 9 C 5 2LCD1602复
18、位电路被测电容555晶振电路按键测量图4 方案二系统框图图中给出了整个系统设计的系统框图，系统主要由四个主要部分组成，单片机和晶振电路设计，555芯片电路设计，LCD1602显示电路，复位电路设计。 该方案对比方案一硬件方面要简单一点，软件方面要复杂一点。由于实际电路制作过程中，硬件方面修改起来非常复杂，软件修改则比较简单。因此最终选择方案二作为本次设计的最终方案。4 硬件设计3.1 时钟电路时钟电路采用内部时钟方式，即用电容C2、C3和12M晶振组成，接在单片机的第18和19号引脚上。STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL
19、2。这两个引脚跨接石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。其电路图如图5所示：图5 系统时钟电路3.2 按键电路按键电路可以实现人机对话，人们可以通过按键来实现让单片机自动的做不同的工作。键盘是一组按键的集合，按键开关是一种常开型开关，一般情况下按键电路的两个触点会处于断开状态，按下键时它们是闭合的。键盘分为编码键盘及非编码键盘这2种，按键的识别是由专门的硬件通过译码来实现的，能产生键编号或者是键值的键盘被称为编码键盘，而缺少这种的要靠自编软件识别的键盘则被称为非编码键盘。在由单片机组成的电路系统以及智能仪器中，使用的较多的一般是非编码键盘。图6就是一种比较典型的按键电路，在按键没有按下
20、的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候，输出的是低电平。图6 系统按键电路3.3 复位电路复位电路是为单片机提供正确的复位信号，由一个电阻、按键和一个电容组成，使单片机上电的时候复位。单片机复位电路主要包括积分复位、微分复位、比较器复位和看门狗复位这四种类型。52单片机的复位功能主要是由外接复位电路来实现的，单片机在启动时都会需要复位电路来实现CPU和各个原件都处于初始状态，并从初始状态开始工作。该复位电路采用的是按钮复位这种方式，还有一种方式是上电自动复位。上电自动复位电路通过外接的电解电容自动充放电从而实现电路的复位作用，只要Vcc的上升时间低于1ms，自动上电复位就可以实现。图7中所
21、示的电解电容在系统内可以起到上电复位的作用，因为考虑到芯片刚刚上电时由于供电不稳定而做出错误的计算，所以增加一个上电复位以达到延时启动CPU的目的，使芯片能够正常工作。虽然现在很多芯片自带了上电延时功能，但是我们一般还是会增加额外的上电复位电路，提高可靠性。当按压式开关按下时，电容两端构成回路并放电，使RST端重新变为高电平，按键抬起时电容又充电使RST变回低电平电路。图7 系统复位电路3.4 555芯片电路555芯片电路是一种能将模拟数据功能与逻辑数据功能结合在同一个芯片上的组合式集成电路。它的设计新颖、功能强大、适用面广泛，深受电子方面工作人员以及电子爱好者的喜爱，因此人们称555芯片为小
22、IC。555芯片电路能应用的电路有很多，例如：多个单稳、双稳触发器以及一个单稳和无稳触发器，一个双稳和无稳触发器等组合。在实际电路应用中，除了一些简单的电路外，555芯片还可以与不同的原件组合出很多功能不同的电路。本次设计中应用的电路是直接反馈型无稳类电路。电路如图8所示：图8 555芯片电路 在555芯片输出方波后，由于硬件的原因，输出的方波会有很多毛刺，所以为了去除这些毛刺本设计中使用了一个两输入与门（74HC08），让信号通过74HC08后会使输出的波形毛刺减少很多，使单片机的测量结果变得精确。 555时基芯片的输出频率跟所使用的电阻R和电容C的关系是：又因为，所以即：如果单片机采用12
23、M的晶振，计数器T0的值增加1，时间就增加1S，我们采用中断的方式来启动和停止计数器T0，中断的触发方式为脉冲下降沿触发，第一次中断到来启动T0，计数器的值为，第二次中断到来停止T0，计数器器的值为，则测量方波的周期为如何开始时刻计数器的值，则。则： 单片机的计数器的值N=0-65535，为了测量的精度，N的取值一般在1005000，当电阻R越大，电容C的值就越小。我们取不同的电阻值，就得到不同的电容测量的量程。第一档： 150 uf第二档： 0.15 uf第三档： 0.010.5 uf第四档： 0.0010.05 uf在图中，由4个开关来控制这4个档位。分别是K1控制第一档；K2控制第二档；
24、K3控制第三档；K4控制第四档。在操作工程中，当一个档位的开关接通时，其他三个档位的开关必须关闭，这样才能实现对档位的控制。为了编写程序的方便，我们只计算后面的单位可以根据使用的量程自行添加。测量范围的大小0.001uF655.35uF。由于这些阻值的电容在市场上根本买不到，所以该设计采用的是与其阻值相近的精密可调电阻来代替。3.5 显示电路由于本设计需要显示的数据较多，同时LCD1602与同类产品相比拥有功耗小、数据显示丰富、体型轻便，功能强大等诸多优点，在很多电子产品和单片机系统中得到了广泛的应用。因此，我选择LCD1602作为该设计的显示器。LCD1602一共有16个引脚，其引脚分布如图
25、9所示：图9 系统显示电路1602 采用标准的16脚接口，引脚具体功能如表2所示：表2 LCD1602各引脚功能图引脚号引脚名电平输入/输出作用12345678910111213141516VssVccVeeRSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7AK0/10/10,100/10/10/10/10/10/10/10/1=Vcc接地输入输入输入输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出输入/输出电源地电源（+5V）对比调整电压0=输入指令，1=输出数据0=写数据，1=读数据使能信号，1时读信息，0时执行指令数据总线line0（最低位）数据总线lin
26、e1数据总线line2数据总线line3数据总线line4数据总线line5数据总线line6数据总线line7（最高位）LCD背光电源正极LCD背光电源负极5 程序设计单片机的使用除了硬件，同样也要到软件，该设计程序设计使用的是keil软件，keil是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。在主程序中，通过检测按键是否按下来执行循环程序。通过单片机P3.7端口检测是否开始测量电容，然后通过端口P3.6端口对555定时器复位端进行方波输出控制。最后通过程序对外部中断0与定时器控制，计算出电容值得大小并通过LCD1602进行显示。图10为该程序设计的流程图：T0，INT0初始化启动555有无
27、中断有无按键有无中断启动计数器T0停止计数器T0计算电容的大小显示电容值有无按键NYnNYNYNY 图10 软件设计流程图6 总结本设计从起草到完稿，耗时大约一个月。在这次的设计的各个过程中，遇到了许多的困难。首先在原理图的设计过程中，由于对STC89C52的工作原理不太了解，导致在刚开始编写程序时不知道该如何下手。后来通过翻阅课本和在网上查找资料，基本了解了STC89C52的工作原理，才有了初步的思路。本设计通过由555芯片和电容电阻组成的振荡电路来输出方波，通过单片机定时器T0测量其脉冲宽度，从而达到测量其周期的目的，再通过单片机软件编程，对数据进行进一步的计算从而得出被测电容的值，最后再
28、通过LCD1602显示初被测电容的容值。其次在电路焊接过程中，与单片机连接的LCD始终不亮，用万用表测试发现是显示管脚接错了，重新焊接以后，LCD1602就亮了。但是后来写入程序进入单片机后，LCD1602没有正确显示，检查后才发现是555振荡器有个引脚与单片机引脚接错了。最后在论文的撰写过程中，由于自己对WORD的掌握程度不够，导致论文撰写速度很慢，格式也老是弄错。但在自己的努力学习下学会了如何用WORD文档进行论文排版，并最后顺利的完成了论文。焊晶振要注意：一定要尽量保证晶振焊脚与18、19脚的焊脚是最短，对称的，晶振焊脚与30pF的电容也要求最短和对称。因为在STC89C52最小系统搭建
29、中，最关键的就是确保晶振能起振。感觉晶振比较娇气，偏差一点点就很容易不振或乱振。前两次的最小系统就是因为没有起振，所以失败了！不过有过两次经验之后，我终于将这个问题解决了。在21世纪这个数字化时代，数字电容测量仪正朝着高精度、低成本、方便快捷的方向发展，这就要求我们掌握更多的设计技术。相信经过我们的不断努力学习，我们一定有能力设计出越来越好的数字电容测量仪，以满足人们在日常工作和生活中的需求。参考文献1 刘光斌，刘冬，姚志成.单片机系统实用抗干扰技术M.北京人民邮电出版社，20042 张毅刚.单片机原理及应用M.北京:高等教育出版社，20053 杨小川.protel DXP 设计指导教程M.北
30、京:清华大学出版社，20044 万文略.单片机原理及应用M.重庆大学出版社，20045 李金平，沈明山，姜余祥.电子系统设计M.北京:电子工业出版社，20076 王毓银.数字电路逻辑设计M.北京:高等教育出版社，19997 付晓光.单片机原理与使用技术M.北京：清华大学出版社，20078 康华光.电子技术基础M.北京:高等教育出版社，20009 江世明.基于Proteus的单片机用用技术M.北京:电子工业出版社，200910 边春元.C51单片机典型模块设计与应用M.机械工业出版社育出版社，200811 李海清，黄志遥.电容传感器新型微弱电容测量电路J.北京:传感技术学报，200212 罗民昌
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32、测量电路的设计J.北京：电工技术杂志，2003附录附录1 实物图附录2 元件清单元器件数量单位万能板STC89C52芯片单片机/555底座12M晶振按键开关555芯片10k排阻/200/10k/1k电阻LCD160274HC085V电源103可变电阻开关100/1k/10k/100k精密可调电阻30PF瓷电容10uf/35uf电解电容111141111116111块个个个个个个个个个个个个个个附录3 系统原理图附录4 程序清单 #include #include /库函数#define DATA P0sbit RW=P26; /1602写数据sbit RS=P25; /1602写地址sbit
33、EN=P27; /1602工作使能sbit b_test=P37; /开始测量电容的按键输入sbit _reset=P36; /555时基芯片工作控制信号unsigned int T_flag,N,C,i,Dis1,Dis0;unsigned int b6=0X13,0X0D,0X00,0X00,0X25,0X16; /显示C=00UF/*延时1MS*/void Delay1ms(unsigned int mm)unsigned int i; for(mm;mm0;mm-) for(i=100;i0;i-);/*检查忙否*/void Checkstates() unsigned char da
34、t; RS=0; RW=1; doEN=1;/下降沿 _nop_();/保持一定间隔_nop_(); dat=DATA; _nop_();_nop_(); EN=0; while(dat&0x80)=1);/*LCD写命令函数*/void wcomd(unsigned char cmd) Checkstates(); RS=0; RW=0; DATA=cmd; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*LCD写数据函数*/void wdata(unsigned char dat) Checkstates(); RS=1; RW=0; DA
35、TA=dat; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*初始化*/void LCDINIT() Delay1ms(15); wcomd(0x38);/功能设置 Delay1ms(5); wcomd(0x38);/功能设置 Delay1ms(5); wcomd(0x01);/清屏 Delay1ms(5); wcomd(0x08);/关显示 Delay1ms(5); wcomd(0x0c);/开显示，不开光标/*显示函数*/void Display(void) /显示函数unsigned char i,j; unsigned char a1
36、2=0X4D,0X45,0X41,0X53,0X55,0X52,0X45,0X4D,0X45,0X4E,0X54,0X53;/显示measurements LCDINIT(); for(i=0;i12;i+)/写显示第一行 wcomd(0x80+i); Delay1ms(1); wdata(ai); Delay1ms(1); for(j=0;j5000) /设置最长等待时间 _reset=0; /最长等待时间到还没有中断，停止555 if(N5000) /如果计数值大于5000，显示LA，表示应换用大一点的量程 b3=0X11; b2=0X1C; if(N=100 & N=5000) C=N/
37、100; /计算电容的大小 b2=C/10; /计算电容值的十位 b3=C-b2*10; /计算电容值的各位 Display(); /显示电容的大小 void int0(void) interrupt 0 /第一次中断开始计数，第二个中断停止计数 T_flag=!T_flag; if(T_flag=1) TR0=1; /开始计时 if(T_flag=0) TR0=0; /停止计时 EX0=0; /关闭中断 _reset=0; /停止发出方波 N=TH0*256+TL0; /计算计数器的值 N=N*5/3; TH0=0x00; /恢复初值 TL0=0x00; 致谢此次毕业设计是本科四年来对自己所
38、学知识的一个总结，其难度、复杂性、对设计的要求都是以前所不能比拟的。所要用到的知识及相关的资料有相当部分超出我们四年的所学，需要通过其他途径来获取信息。通过这次毕业设计让我更加了解了自己的专业，并且提高了自己的自学能力。在此要特别感谢我的指导老师，该毕业论文是在尊敬的杨小玲老师的细心指导和热情鼓励下完成的。无论是论文的选题、设计思路、理论概括还是系统设计到论文撰写，处处浸透着杨老师的心血，杨老师对我的关心和帮助让我动力十足。杨老师渊博的专业知识、活跃的学术思想、严谨的教学态度、求实的工作作风、孜孜不倦的精神和精心培养人才的风范，都使我受益非浅。这些精神和态度都值得我们这些年轻的学子们学习，杨老师谦逊无私、平易近人的高尚品格及热情教导的朴实作风也一直是我学习的榜样。在此，我向您致以最深挚的谢意！您辛苦了！同时借此机会，感谢所有工学院的老师四年以来对我的悉心教导，谢谢！还要特别感谢帮助我的同学，正是与他们在许多问题上的交流和讨论，才使得我的论文得以顺利完成。最后，对本次阅读评审此论文的老师们表示忠心的感谢。
