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1、本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：在线电容测量仪设计学 院：专 业：班 级：学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013年 4 月 6 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 目 录摘 要IIIAbstractIV1前 言11.1电容测量仪的发展历史11.2电容测量仪的研究现状21.3本次设计的任务与要求32硬件电路设计及其描述42.1设计方案42.2原理框图52.3单元电路设计分析62
2、.3.1AT89C52单片机功能描述62.3.2STC89C52的主要特性及管脚说明72.3.3AT89C52单片机时钟电路92.3.4AT89C52单片机复位电路102.3.5555多谐振荡器电路112.3.6测量换挡电路132.3.7LCD1602测量显示电路142.3.8系统电源电路172.4各部分电路连接成整体电路图183软件设计与描述203.1软件设计任务203.2软件的基本思路与原理203.3软件设计流程图224PCB与实物制作234.1电路图的绘制234.2PCB板的制作234.3材料清单234.4元器件的检测与安装244.5元器件的焊接254.6系统调试与分析25设计总结26参
3、 考 文 献27致 谢28附录A 程序源代码29附录B 设计原理图36附录C 设计PCB图37在线电容测量仪设计摘 要本文介绍了在线电容测量仪设计与制作的过程。文章首先介绍了在线电容测量仪的选题背景和发展现状，然后设计并分析系统硬件的各单元电路，包括单片机时钟电路、单片机复位电路、555测量电路、系统换挡电路、系统电源电路等；其次则是软件的设计和调试过程。本系统用ST98C52单片机作为中央处理器，以555多谐振荡器作为频率可变的方波发生器，利用测量频率的方式间接测量电容，经过单片机处理得到数据之后交由LCD1602液晶显示。本设计用C语言设计软件，Keil和Proteus两款软件成功模拟仿真
4、后，用Protel99se软件设计为印刷电路板。经过实物的组装调试和焊接，本系统预计可以实现PF、NF、UF三个档位的电容粗略测量，是一种操作简单的傻瓜式电容测量仪。 关键词：电子电路、电容、单片机、555集成定时器。Online capacitance measuring instrument designAbstractThis paper introduces the process of design and production of online capacitance measuring instrument. This article first introduced the
5、background and development status of online capacitance measuring instrument, then design and analysis the each unit circuit of the system hardware, including the microcontroller clock circuit, reset circuit, 555 measuring circuit, system shift circuit, power supply circuit; second is the process of
6、 designing and debugging software. The system used ST98C52 SCM as the central processor, with 555 multivibrator as variable frequency square wave generator, using a method of measuring frequency to indirectly measuring the capacitance. Lastly displaying by LCD1602 after the SCM processing. This desi
7、gn uses C language to design software. After Keil and Proteus two software successfully simulated, we use Protel99se software design for printed circuit board. After the physical assembly debugging and welding, the system can be expected to achieve the rough measurement of PF, NF, UF three stalls ca
8、pacitances，which is a simple fool capacitive measuring instrument.Keywords: electronic circuit , capacitance, microcontroller, 555 integrated timer.1 前 言在电子技术飞速发展的今天，精确测量的地位变得越来越重要，在电子测试和设计领域之中，各类电容的测量已经十分普遍。相应地，测量电容的技术也在各类测量技术和产品研究中应用得十分广泛。简单来说，电子产品在市面上应用得越来越广泛，市场要求产品必须容易检修和维持寿命，而检修的关键在于检测电子产品是否符合规
9、格和要求，其关键就是在于检测其内部核心的电路，也即各类电子元件的参数测量。电容在电子电路中有着不可替代的作用，任何稍微复杂的电路都离不开电容的作用，因此，电容的测量向来是电子电路领域的重大课题之一，设计出成熟、轻便、准确的电容测量仪器至关重要。1.1 电容测量仪的发展历史在电子电路当中，电容通常是以传感器形式出现的，所以，在线电容测量技术的历史发展实际上就是电容传感器的发展历史。最初，使用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器，当时的电容传感器有变面积型，变介质介电常数型和变极板间型等多种类型。而现在随着科学技术的飞速发展，新式的电容式传感器越做越先进，市面上用得较多容栅式电容传感器，陶瓷电容
10、压力传感器等电容随处可见，而电容测量技术的发展也逐渐由单一化发展为多元化。目前来说，国内的本土测量仪器设备还比较落后，有着诸如精度不高，外观不好，可靠性差等缺点。在整个产业布局上，国内的测量仪器仪表有着一些缺陷，其一是国内比较重视产品的研发而忽视产品测量，这种错误的观念在整个产业线上十分明显，以至于许多电子行业的专业人员都倾向于从事研发行业，从而造成电子测试方面的人才十分匮乏，一些基础的测试学科理论也比较薄弱。其二则是有产业线，但并未建立完整的现代市场营销渠道。本土仪器设备厂商大多重视研发和生产，缺乏营销渠道，更别说建立一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式了。传统的营销模式在以前还能有所
11、作用，但却无法满足目前整个国内测量行业的需求。其三，国内缺乏标准的材料配套体系。由于某些原因，中国仪器配套行业的企业多为良莠不齐的小型企业，并没有一个广泛通行的标准，从而导致仪器的材料配套行业的技术水平较低，市场较小。虽然目前已有较大的改观，但距离整个产业的要求还有一定距离。另外，国内的一些公司经常陷入一个误区当中：在技术水平没有达到的条件下，一味地追求精度或追求高指标，而没有处理好与稳定性之间的关系，这些都是制约本土仪器发展的因素。虽然有着一些缺陷，但近几年来，国内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，
12、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。1.2 电容测量仪的研究现状测量电容的实质其实就是将电容的容值转化为其他可测物理量的过程，
13、能够转化的物理量主要有电压、电流、频率、充放电时间等。市面上的几种电容测量仪都是根据这样的原理制作的，比如常见电容传感器都配备有检测电路，就是根据调频电路设计的。在调频电路中，电容传感器是振荡电路中的选频元件。电容值变化引起振荡频率变化，由频率值表征被测物理量变化。交流电桥电路。传感器电容变化，引起电桥失衡，桥路输出变化。桥路输出变化表征被测物理量变化。而常用万用表中的电容测量电路则是将电容的容量转化为电压，该电路依据被测电容容量产生一个模拟电压,容量大则产生电压值高, 容量小则产生电压值低。测量电容时,此电压送入模/数转换电路，经过模数转换后得到容量值，即可传送到显示电路显示。测量电容还有一
14、种经典的方法，就是电桥法。电桥的平衡条件是： 通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可求出被测电容。用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。另外还有几种基于单片机的电容测量仪，因为无法精确测量的原因，市面上并不参见。因为555定时器构成的一些应用电路基本和电容有关，所以可以用测量其输出方波波形的方法来测量电容，譬如555定时器构成的单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比，。，这样一来，便可以用单片机来测量脉冲宽度。另外，555定时器构成的多谐振荡器输出频率主要与它外部连接的电容电阻
15、有关，如果电阻固定，就可以用测量方波周期或者频率的方法来简介测量电容。1.3 本次设计的任务与要求虽然市面上各种电容测量仪种类繁多，但本次设计主要是为了巩固所学，因为这个原因，本次设计的任务和要求如下：设计须采用单片机和NE555等数字器件为核心。有各模块功能的介绍。测量范围：1PF1000UF，有换挡电路。能够显示单位。当测量范围超出时能显示错误警报。2 硬件电路设计及其描述本章将介绍在线电容测量仪设计的具体设计过程，并为每一个单元电路做详尽的描述介绍。2.1 设计方案市面上各类电容测量仪种类繁多，我们不难筛选出很多中设计方案。从能够满足设计要求的方案中，我们主要选择以下四种方案略作描述：方
16、案一：将电容量通过设计电路转换成电压，然后把电压量经模数转换成数字量进行显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器，单稳态触发器输出电压的脉宽为：。从式中可以看出，当R固定时，只要改变电容C，则输出脉宽也会跟着改变，由Tw的宽度就可以求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压Vo取平均值，由于电容量的不同Tw的宽度也不同，则Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到电容C的大小。如果把平均值送到AD转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。但因为脉冲宽带往往过于短暂，且每一个脉冲的宽度波动较大，所以测量出的数据往往并不准确。方案二：用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：以恒流源供电，然后测元件
17、电压；用恒压源供电，然后测元件电流。但由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。方案三：直接根据充放电时间判断电容值。这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性，放电常数，通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。一般情况下，可设计电路使( T为振荡周期或触发时间；A为电路常数与电路参数有关)。这种方法中应用了555芯片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。方案四：使用AT89C52单片机和NE555芯片构成的多谐振荡电路电容测量。 这种电容测量方法主要是通过一块
18、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，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：，如果R确定，我们用单片机定时一秒钟，就可以用计数器测量出相应方波的频率，此时,很容易就可以换算出电容的大小。 从以上四种方案中，很容易可以看出第四种方案十分符合我们的设计要求，其余方案都有着各种不可忽视的缺陷，而该方案不仅硬件电路简单，软件设计也不复杂，十分适合初学者来制作实物。综上所述，我们决定选用方案四来设计在线电容测量仪。2.2 原理框图本设计的原理总框图如图2.1： 80C52单片机晶振电路复位电路555多谐震荡器被测电容换挡电路显示电路图2.1 原理
19、总框图 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，复位电路设计，555芯片电路设计，显示电路设计。在整个框图中，处于核心地位的是作为中央处理器的单片机，555芯片构成多谐振荡器后输出方波，由单片机接收并计算出频率，然后再换算成电容，交由LCD1602液晶显示。 2.3 单元电路设计分析2.3.1 AT89C52单片机功能描述单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转
20、换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。STC89C52是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有8k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。STC89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于
21、8K，四个I/O口全部提供给用户。可用12V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。STC89C52芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。该单片机外形及
22、引脚排列如图2.2所示：图2.2 AT89C52单片机 2.3.2 STC89C52的主要特性及管脚说明STC89C52主要具有以下几个特点：1）STC89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；2）内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；3）静态工作,工作范围:0Hz24MHz；4）1288位内部RAM；5）32位双向输入输出线；6）两个十六位定时器/计数器7）5个中断源,两级中断优先级；8）1个全双工的异步串行口；9）闲置和掉电两种工作方式。10）内振荡器和时钟电路STC89C52的主要管脚说明如下：1）VCC：供电电压。2）GND：工作地。3）P0口：P0口为一个
23、8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 5）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲
24、器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低
25、电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，如表2.1所示。7）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。8）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR的8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是A
26、LE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。9）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。10）：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。 表
27、2.1 P3口各管脚功能端口引脚各个功能P3.0RXD (串行口输入端)P3.1TXD (串行口输出端)P3.2TNT0 (外部中断0请求输入端，低电平有效)P3.3TNT1 （外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0 （定时器/计数器0脉冲输入端）P3.5T1 （定时器/计数器1脉冲输入端）P3.6WR （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7RD （外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）2.3.3 AT89C52单片机时钟电路时钟在单片机中非常重要，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。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系统的稳定性
28、。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，内部时钟方式如图2.3。图2.3 AT89C52单片机时钟电路 MCS-51单片机内部有一个用与构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚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电路。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30PF左右，但实际应用时还需要根据晶振的参数来选择。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率的范围通常是在1.2MHz12
29、MHz之间。晶体的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。MCS-51单片机常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。2.3.4 AT89C52单片机复位电路在51系列单片机中，在振荡器运行时，RST引脚上保持到少两个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。为响应这一不定期程，CPU发出内部复位信号。内部复位操作是在发现RST为高电平后的第二个周期进行的，并且此后每个周期都重复进行复位操作，直到RST变成低电平为止。针对复位电路对时间的需要，我们对上电复位电路进行设计。在这种情况下，把RST引脚通10uF电
30、容接到Vcc并同时经过10K电阻和地相连，就可获得上电自动复位的结果。其具体的复位电路如图2.4所示。图2.4 AT89C52单片机复位电路 接通电源后，Vcc便对电容通过电阻进行充电。RST脚的电压等于Vcc与电容两端电压之差。在充电过程中，随着电容电压逐步趋于Vcc，RST引脚上之电压最终将接近于0。此过渡过程之长短取决于电阻和电容值的大小。10uF电容足可使RST脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平，从而使整个复位过程得以完成。 2.3.5 555多谐振荡器电路555芯片电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计
31、新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。1972年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555双极型时基电路，设计原意是用来取代体积大,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域，需求量极大。美国各大公司相继仿制这种电路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上将两个双极型555单元集成在一起，取名为NF556。1978年美国英特锡尔(Intelsil)研制成功CMOS型时基电路ICM555 ICM556,后来又推出
32、将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路558 由于采用CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹、卫星、航天等高科技领域。在这期间，日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产。尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555556时基电路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。555电路，也称555芯片电路，是一种中规模集成电路。它具有功能强、使用灵活、适用范围宽的特点。通常只要外接少量几个元件，就可构成各种不同用途的脉冲电路以及许多实用电路，如多谐振荡器、单稳态电路及施密特触发器等等。从而能够实现振荡、定时、调光、调压、调速等。555集成电路有双
33、极型和CMOS两种。CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高。对于初学者来说，可以把555电路等效看成一个带放电开关的RS触发器，这个特殊的触发器有两个输入端：阈值端TH可看成是置零端R，要求高电平，触发端R可看成置位端低电平有效。它只有一个输出端Vo，Vo可等效为触发器的Q端。放电端DIS可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的端控制：Q=1时DIS端接地；Q=0时，DIS端悬空。此外，这个触发器还有复位端MR加上低电平(03V)时可使输出为低电平。该特殊的RS触发器有两个输入端，这两个输入端的触发电平要求一高一低，其中置零端R即阈值端TH要求高电平，置位端即触发端则要
34、求低电平，也就是使它们翻转的阈值电压值不同。当VK端不接控制电压时，对TH端(即R端)来讲，大于23VDD是高电平1，小于23VDD时是低电平0；而对TR端(即端)来讲，大于13VDD是高电平1，小于13VDD是低电平O。555芯片电路的应用电路很多，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路。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2.5所示。图2.5 555多谐振荡器电路555芯片输出的频率为，只要我们改变电阻R，就可以达到改变电阻量程的目的，R串接在555芯片3脚和6脚之间，本设计提供了三组不同的电阻，当
35、电容过大或过小时均可以配合电容使得多谐振荡器能够发出单片机测量范围内的方波，这样以来，就能测量UF、NF、PF三种不同的电容了。2.3.6 测量换挡电路测量换挡电路如图2.6所示。图2.6 测量换挡电路该电路的核心是双刀单掷开关，通过开关的断开和闭合可以选择两组电路，其一是发光二极管电路，其二则是555芯片7号管脚DC所需要的电阻。三组开关只能有一组闭合，否则程序会在LCD上显示错误。以SW1为例，当某一个开关闭合时，555选择其中一个电阻，造成档位切换，同时电阻上面的发光二极管发光，A0处为高电平，此处会连接到单片机，给单片机一个档位切换的信号，单片机即可据此显示该档位的单位。根据公式，,当
36、SW1闭合时，电阻的值是100欧姆，于是可以得到，该档位可以测量UF级别的电容。同理，当SW2闭合时，电阻的值是100K欧姆，频率，可以测量NF级别的电容。同理，当SW3闭合时，电阻的值是100M欧姆，频率，可以测量PF级别的电容。对于测量原理的说明我们将在软件编程部分详细说明。2.3.7 LCD1602测量显示电路LCD以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里介绍的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里我们使用的是2行16个字的1
37、602液晶模块。图2.7 LCD1602液晶显示1602 采用标准的16脚接口，其管脚说明如下:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度。第4 脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线， 高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW 为低电平时可以写入数据。第6 脚：E端
38、为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：这两个脚在仿真软件中通常隐藏，但实际上是背光显示的电源和地，不接LCD就没有背光，如果需要背光，15脚通常串联一个1/2W，100欧姆以下的电阻接5V电源，16脚接地。表2.2 LCD1602各管脚功能管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,
39、E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15AVDD背光源正端（+5V），通常需要接限流电阻26KVSS背光源负端1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表1所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是0100000
40、1B（41H），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”表2.3 CGROM和CGRAM中字符代码与字符图形对应关系1602液晶模块内部的控制器共有11 条控制指令，其控制命令如下表所示。表2.4 LCD1602内部11条控制指令它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1 为高电平、0 为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示
41、开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位。S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令。DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线；N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符（有些模块是 DL：高电平时为8位总线，低电平时为4位总线）。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，高电平
42、表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据指令11：读数据。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。在单片机设计程序时，也可在每一条指令后给足液晶反应的时间，这样就不必使用查忙指令了。要显示字符时，需先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，下表是LCD1602的内部显示地址。表2.5 LCD1602内部显示地址2.3.8 系统电源电路在设计实物时，需要考虑本系统采用什么样的电源，本设计所采用的模块大多是典型数字器件，其电源都是5V左右，所以宜采用USB接口来提供电源。图2.8 US
43、B-B插座图2.8是B型的USB接口，该接口有六个管脚，其中5、6管脚其固定作用，通常接地连接。而2、3脚分别是USB的数据线D-和D+，当USB只做电源时，这两个管脚可以不管。我们需要用的的主要是VCC和GND，也即1和4两个管脚，电容测量仪的所有有源器件都将有这两个管脚提供电源。2.4 各部分电路连接成整体电路图当各个部分的电路设计完成后，就需要将单元电路连接起来。对于仿真方面，现今用的最多的电路设计软件就是Proteus，Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最
44、好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA 工具(仿真软件)，它支持多款编译器，本设计采用Proteus7.8版本，并用Keil4编译。图2.9 总电路图 3 软件设计与描述本章将根据电容测量仪的工作原理设计软件，并用Keil4编译，经过调试后测试仿真。软件的设计是一个复杂繁琐的过程，最开始需要初步的思路，而后的所有程序都是由初步思路演化而来的。本系统的软件采用C语言设计。1.1 软件设计任务本设计的软件需要完成三个任务：1 采集555定时器发出的频率。2 ST8
45、9C52单片机将频率大小转化为电容容值。3 单片机将电容容值送由LCD1602液晶显示器数字显示。4 超出量程或错误操作时能够提示错误。1.2 软件的基本思路与原理按照上述要求，我们可以逐一拟定软件程序设计的基本思路。要采集555定时器发出的方波频率，可以采用单片机的定时计数器，配合中断来完成。80C51单片机内部有两个定时/计数器T0和T1，其核心是计数器，基本功能是加1。对外部事件脉冲（下降沿）计数，是计数器；对片内机周脉冲计数，是定时器。我们使用定时器定时一秒钟，计数器在此期间内增加的数值就是555多谐振荡器方波的大小。但测量频率时需要注意一点，定时/计数器作为计数器时，外部事件脉冲必须从规定
