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1、一、 概述测量技术是信息化制造技术的关键和基础。可广泛用于电容的参数测量、分析和元件筛选的电容参数测量仪更是不可或缺。本文介绍了一种基于AT89C51单片机的电容参数测量仪。本设计的电容参数测量仪成本低，体积小，且有如下特征：测量范围广，且测量范围可通过增加基准点的方法进一步扩大；测量结果不易受环境温度影响；能通过键盘电路便捷的改变测量量程和测量类型；能自动根据不同频率调整测频算法；采用固定插座使对元件的测量更加方便、稳定。二、方案论证（1）主要内容：设计一个电容测量仪。该测量仪设计工作包括2个部分：硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括电容参数测量电路和显示等。软件设计主要完成插值测量方法。（
2、2）主要功能：电容测量精度5%，范围：100pF10000pF。方案一：基于单片机的频率测量法。把待测电容接入到由NE555芯片构成的多谐振荡电路中振荡，输出端将会产生相应的振荡频率f，然后用单片机对该振荡频率f测量后，便可运算求出电容的值并显示。方案一原理框图如图1所示： 555多谐振荡电路单片机数码管显示被测电容量程选择图1 基于单片机的频率测量法原理框图方案二：模拟电路法。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，便可实现所要
3、求的函数关系，将结果送给数字显示器。原理框图如图2所示：RixCxUiUx+整流滤波或峰值检测电路三角波发生器- + A/D转换器 数字显示器R图2 模拟电路法原理方框图本设计采用的是方案一，555构成单稳态电路实现延时较容易实现且电路不复杂，操作简单，体积小、受外界环境影响小、精度高、价格低廉等特点，具有较好的市场前景。三、 电路设计总体思路： 待测电容Cx通过555多谐振荡电路输出频率f,由于被测电容范围是10010000pF，所以谐振电路输出频率在Hz左右。该频率通过单片机的定时器T1使频率降低20000倍以方便测量，产生的新频率再进入单片机的定时器T0，利用T0的门控制位GATE测量脉
4、冲宽度。得到单个脉冲中的机械周期数。由于采用的单片机晶振是12MHz，所以一个机械周期为1s。设量程为100010000pF时，Cx=AF (1000A10000)，通过谐振电路产生的信号周期,再通过定时器T1得到的周期,在通过定时器T0得到单个脉冲中的机械周期个数，所得个数,整理得，为了方便输出欲使B=A，则使,此要求可在电容选择上完成，最后将所得B输出并显示在数码管上即完成电容的测量。假设待测电容Cx为3000pF，则数码管显示器上应显示3000，单位默认为pF。同理，当量程为1001000pF时，使，得到的B=10A，只要将数码管的第三位的小数点点亮即完成，此调节在量程选择时同步完成。假
5、设待测电容Cx为400pF，则数码管显示器上应显示400.0，单位默认为pF。1.电容转换电路设计待测电容Cx容值的测量，是通过测量将其接到555多谐振荡电路中输出的频率f而得到。依照设计要求，电容的测量范围为100pF10000pF，那么根据555多谐振荡电路输出频率的公式电容转换电路图如图3所示：图3 电容转换电路图2. 量程选择电路设计本实验将量程分为1001000pF和100010000pF两段量程。通过开关SW-DPDT改变的值和数码管的小数点以改变量程，令为43，调节开关SW1，使其与相连，为50.6，则，并点亮第三位小数点，此为100010000pF量程档；调节开关SW1，使其与
6、相连，为700，则，并熄灭第三位小数点，此为10000100000pF量程档。电路图如图4所示：图4 量程选择电路 3.单片机基本电路设计 本设计运用的主处理器为AT89C51单片机。单片机通常是指芯片本身，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算器电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把主处理器单元的全部电路都集成到其中，在实际的控制应用中，常常还需要扩展外围电路和外围芯片。如晶振电路、复位电路、蜂鸣电路、LED指示灯电路等，这些电路的元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。本设计中的主处理单元主要应用了晶振电路和复位电路，其详细设
7、计如下。(1)晶振电路晶振是一种能把电能和机械能相互转化，产生稳定、精确的共振频率的元件。在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。在晶振电路中，由于晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生谐波，这个波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，所以为了提高电路的稳定性，晶振需要与电容配合工作。在晶振的两引脚处接入两个10pf-
8、50pf的瓷片电容接地即可削减谐波对电路的稳定性的影响。另外，晶振所配的电容不是为了调节频率值，只是起稳定作用，在10pF-50pF之间都可以，所以本设计的晶振电路中选用的电容为30pF，晶振为12MHz。(2) 复位电路复位是单片机的初始化操作。单片机启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机
9、就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。本设计采用开关复位。电路原理如图5所示：图5 单片机基本电路图 4.数码管显示电路设计本设计的显示单元主要包括单片机AT89C51和7SEG-MPX4-CA数码管显示器。通过单片机将所测得的数据处理后，控制7SEG-MPX4-CA数码管显示器输出。其电路原理图如图6所示。图6 显示单元电路原理图单片机的P0.0P0.7口分别与数码管的adp引脚相连接，来显示所测量的数据。由于7SEG-MPX4-CA是共阳极数码管，所以在adp引脚分别接高电平。单片机的P2.4P2.7口分别与数码管的选位端口14引脚相连接
10、。四、性能的测试1.电容参数测试仪的测试 表1 电容参数测试仪测试数据表量程1001000pF100010000pF实际值500pF2500pF测量值499.9pF2503pF下图为模拟仿真图。图7，图8分别为该设计测500pF电容，测2500pF的仿真图。图7 测500pF电容仿真图图8 测2500pF电容仿真图五、 结论本次设计在硬件上运用的都是较常用、较基本的元器件，且电路简单，既保证操作便捷又使系统的成本和体积得到很好的控制。在软件上运用了定时器中断原理和定时器利用门控制位测脉冲宽度2种测频算法，使电容参数的测量更加快速、精确，不受系统内部电路元件和外界环境温度的影响。因此有较好的市场
11、前景。然而，本次设计虽然已经完成了各项指标，但还有很大的改进空间。首先在硬件方面，主处理器可以采用性价比更高的芯片，使对振荡频率的测算更加精确；键盘电路的布局可以更加合理，以达到更加便捷的控制；可以在系统内增加电池供电电路，使测量仪在户外也可以使用。在软件方面，可以通过增加基准点个数，来进一步扩大测量范围和测量精度；可以继续优化测频算法，从而使测量时间更短，测量结果的显示更加稳定。六、 性价比电路不复杂，操作简单，体积小、受外界环境影响小、精度高、价格低廉等特点，具有较好的市场前景。七、课设体会及合理化建议这次的课程设计即将结束，在这里我要对自己这几个星期的付出作一个小小的总结。首先我再次非常
12、深刻的体会到了，课程设计真是一个非常锻炼人的课程，它将理论与实践完美的结合在一起，在充分锻炼了我们思考能力后，也完全锻炼了我们动手实践的能力。这对我们以后无论在工作还是生活中都打下了很好的基础。虽然这次的课程设计我完成的不够完美，但是我还是可以欣慰的告诉自己，我已经全身心的投入到其中了，并且我也从中体会到了失败与成功。通过这次的课程设计，我发现自己对电子信息这门专业又有了全新的认识，它不像我刚开始认为的那么枯燥、单调，学习它的过程也有人生一样的起起伏伏，我相信以后的道路上我也会一直与它为伴。参考文献1 郎科伟，潘欣裕，董兴法.基于单片机的RLC智能测量仪的设计与实现J. 苏州科技学院学报（工程
13、技术版），2010.4.2 丁金林，王峰.智能RCL测量仪的设计J. 苏州市职业大学学报，2010，2.3 朱华光，朱玮玮.RLC串联谐振电路的实验研究J. 现代电子技术，2010，21.4 王福瑞单片微机测控系统设计大全M北京：北京航空航天大学出版社，2005：335-3385 刘新如何正确使用LCR测试仪测量电子元件J计量与测试技术，2008，33(5)：12-146 任斌，余成，陈卫基于频率法和MCU的智能RLC测量仪研制J微计算机信息，2007，287 沈晓谷采用脉冲计数法以单片机实现电容的测量J上海应用技术学院学报，2009，6(4)：290-2938 张毅刚.刘杰主编.MCS-51
14、单片机原理及应用M .哈尔滨工业大学出版社，2008.99 曹丙霞 等编著. Protel 99 SE原理图于PCB设计M .电子工业出版社，2007.3 10 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，200611 张毅刚. 新编MCS-51单片机应用设计M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，2007.附录I 总电路图附录II 元器件清单序号编号名称型号数量1U1 单片机AT89C5112U2NE555NE55513U3数码管7SEG-MPX4-CA14U4与非门74LS0015R1R3电阻43/50.6/70036RP1电阻条10K*817C1C3电容10
15、0/30/30pF38DSW1电源开关DIPSW-219SW1双位双刀开关SW-DPDT110X1晶振12MHz111S1开关SW-PB1附录III 程序清单 ORG 0000H LJMP MAIN1 ORG 001BH CPL P1.0 RETI ORG 0D000H MAIN1:MOV TMOD,#56H MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0AFH SETB TR1 MAIN2：MOV TL0,#00H MOV TH0,#00H LOOP0:JB P3.3,LOOP0;等待P3.3低 SETB TR0;如果为低，启动T1 LOOP1:JNB P3.3,LOOP1 ;等待P3.3升
16、高 LOOP2:JB P3.3,LOOP2 ;等待P3.3降低 CLR TR0 ;停止T1计数 MOV R7,TL0 ;T1计数值送入 MOV R6,TH0CALL H_TO_D ;调用转换子程序H_TO_D:CLR AMOV R1,AMOV R4,AMOV R5,AMOV R2,#10HH_TO_D_1:MOV A,R7RLC AMOV R7,AMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,R5ADDC A,R5DA AMOV R5,AMOV A,R4ADDC A,R4DA AMOV R4,AMOV A,R1ADDC A,R1MOV R1,A ;万位DJNZ R2,H_TO_D_1M
17、OV A,R4ANL A,#0F0HSWAP AMOV R2,A ;千位 MOV A,R4ANL A,#0FH MOV R3,A ;百位MOV A,R5ANL A,#0F0HSWAP AMOV R4,A ;十位MOV A,R5ANL A,#0FH MOV R5,A ;个位 LOOP3:LCALL DIR ;调用显示子程序AJMP LOOP3DIR:MOV DPTR,#NUMTAB ;指定查表启始地址MOV R6,#4 DPL1: MOV R7,#250 ;DPLOP: MOV A,R5 ;取个位数MOVC A,A+DPTR ;查个位数的7段代码MOV P0,A ;送出个位的7段代码SETB P
18、2.7 ;开个位显示ACALL D1MS ;显示162微秒CLR P2.7;关闭个位显示,防止鬼影MOV A,R4 ;取十位数MOVC A,A+DPTR ;查十位数的7段代码MOV P0,A ;送出十位的7段代码SETB P2.6 ;开十位显示ACALL D1MS ;显示162微秒CLR P2.6;关闭十位显示,防止鬼影MOV A,R3 ;取百位数MOVC A,A+DPTR ;查百位数的7段代码MOV P0,A ;送出百位的7段代码SETB P2.5 ;开百位显示ACALL D1MS ;显示162微秒CLR P2.5;关闭百位显示,防止鬼影MOV A,R2 ;取千位数MOVC A,A+DPTR ;查千位数的7段代码MOV P0,A ;送出千位的7段代码SETB P2.4 ;开千位显示ACALL D1MS ;显示162微秒CLR P2.4;关闭千位显示,防止鬼影DJNZ R6,DPLOP ;循环执行250次DJNZ R7,DPL1 ;循环执行250X4=1000次RETD1MS: MOV R7,#80;2+2X80=162微秒,延时按12MHZ计算 DJNZ R7,$RETNUMTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90HEND16
