简易数字电容表的设计(编辑修改稿)

简易数字电容表的设计(编辑修改稿)内容摘要：

3。 21 附录 22 附录 A 外文资料 22 附录 B 总原理图及仿真图 34 附录 C 程序清单 36 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第 1章 绪 论 课题研究的目的及意义 当今电子测试领域，电容的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。 电容 通常以传感器形式出现，因此，电容测量技术的发展归根结底就是电容传感器的发展。 由最初的用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器。 最初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。 现在的电容式传感器越做越先进，现在用的比较多的有容栅式电容传感器，陶瓷电容压力传感器等。 电容测量技术发展也很快现在的电容测量技术也由单一化发展为多元化。 随着测量技术的飞速发展以及人们对电 容 参数的测量精度要求的提高，目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足测量要求，因此设计可靠，安全，便捷，测量精度更高的电 容 具有广泛的使 用价值和应用前景。 国内外研究现状 现在国内外做传感器的厂商也比较多 ,在世界范围内做电容传感器做的比较好的公司有：日本 figaro、 德国 tecsis、 美国 alphasense。 中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈。 尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。 每当提起中国测试仪器落后的原因，就会有许多不同的说法，诸如精度不高，外观不好，可靠性差等。 实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为： (1)由于测试在整个产品流程中的地位偏低，人们的传统 观念的影响，在产品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而测试则处于从属和辅助位置。 关于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即窥其一斑。 这种原因，造成整个社会对测试的重视度不够，造成测试仪器方面人才的严重匮乏，这是中国测量仪器发展的一个主要瓶颈。 实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视度以及对仪器本身的研究也明显不够。 (2)面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立起来。 本土仪器设备厂商只是重研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式。 传统的营销模式在计划经济年 代里发挥过很大作用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。 所以，为了快速缩小与国外先进公司之间的差距，国石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向应用的研发的过渡。 特别是随着国内应用需求的快速增长，为这一过渡提供了根本动力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。 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。 主要研究内容 目前常用的两种测量电容的实现方法：一是利用多谐震荡产生脉冲宽度与电容值成正 比信号，通过低通滤波后测量输出电压实现；二是利用单稳态触发装置产生与电容值成正比门脉冲来控制通过计数器的标准计数脉冲的通断，即直接根据充放电时间判断电容值。 利用多谐震荡原理测量电容的方案硬件设计比较简单，但是软件实现相对比较复杂，而直接根据充放电时间判断电容值的方案虽然基本上没有用到软件部分，但是硬件却又十分的复杂。 而且他们都无法直观的把测量的电容值大小显示出来。 根据上面两种方案的优缺点，本次设计提出了硬件设计和软件设计都相对比较简单的方案：基于 STC12C5204AD 单片机和 555 芯片的数显式电容测量。 该方案主要是根据 555 芯片 [2]的应用特点，把电容的大小转变成 555 输出频率的大小，进而可以通过单片机对 555 输出的频率进行测量。 本方案的硬件设计和软件设计都相对简单。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 第 2 章 设计方案 设计要求 设计一个可以直接测量电 容 的仪表，通过字符液晶 LCD1602A 显示测量对象的电感值。 要求利用单片机、检测电路、液晶显示屏等设计并制作电 容 表。 单片机建议选用 STC12C520XAD系列 SKDIP28封装。 字符液晶选用 LCD1602A。 主要技术指标 ： 测量范围： 100PF— 100NF； 精度要求：误差不大于 20%； 显示要求：保留 1 位小数点，单位用 N； 供电： 9V万用表干电池或用 DC912V电源代替。 设计方案选择 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 STC12C5204AD 单片机和 555 芯片构成的多谐振荡电路的测量的方案。 现在一一介绍论证如下： 方案一、利用多谐振荡原理测量电容测量原理 电容 C 电阻 R 和 555 芯片构成一个多谐振荡电路 [3]。 在电源刚接通时，电容 C上的电压为零，多 谐振荡器输出 0V 为高电平 0V 通过 R 对电容 C 充电。 当 C 上冲得的电压 CV = +TV 时，施密特触发器翻转， 0V 变为低电平， C 又通过 R 放电， CV 下降。 当 CV = TV 时施密特触发器又翻转，输出 CV 又变为高电平，如此往复产生震荡波形。 由 测得的校准值 0T 测量值 XT 及存放的软件中的标准电容值 C 可得出待测电容值 这种方法的利用了一个参考的电容实现，虽然硬件结构简单，软件实现却相对比较复杂。 方案二、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 Q UC ，放电常数 RC [4]，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 ARC。 这种方法应用了 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。 误差分析：这种电容测量方法的误差主要由两部分组成：一部分是由 555 芯片构成的振荡电路和触发电路由于非线性造成的误差，其中最重要的是单 稳态触发电路的 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 非线性误差， 00//C C T T   (T 由充放电时间决定， 0C 是被测电容值 )；另一部分是由数字电路的量化误差引起，是数字电路特有的误差该误差相对影响较小，可忽略不计。 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，但在具体设计中会碰到很大问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大。 方案三、基于 STC12C5204AD 单片机和 555 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 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： /( * )xf R C ，我们固定 R 的大小，其公式就可以写为： / xf k C ，只要能够测量出 555 芯片输出的频率，就可以计算出测量的电容。 计算频率的方法可以利用单片机的计数器 0T 和中断 0INT 配合使用来测量，这种研究方法相当的简 单。 系统框图 如 图 21 所示。 图 21 系统框图 图中给出了整个系统设计的系统框图，系统主要组成部分，单片机和晶振电路设计， 555 芯片电路设计，显示电路设计。 STC12C5204AD 测量按键 LCD1602 显示 晶振电路 555 芯片 被测电容 测量电 容换挡 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 第 3 章 硬件设计 硬件设计的任务 STC12C5204AD 基本工作电路设计：使单片机正常工作； 时钟电路：为单片机提供时钟信号； 555 芯片 电路：把电容的大小转变成输出频率的大小； 显示电路：显示当前测量电容的大小； 按键电路：开始测量电容； 电容测量系统硬件设计 STC12C5204AD 单片机的使用 STC12C5204AD 单片机 是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期（ 1T）的单片机 [6]，是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM， 8 路高速 8 位 A/D 转换（ 300K/S），针对电机控制，强干扰场合。 设计时单片 机采用 STC12C5204AD，芯片 STC12C5204AD 引脚图 如 图 31 所示。 图 31 STC12C5204AD引脚图 引脚作用介绍如下： ： ：标准 I/O 口 PORT1[0] ADC0： ADC 输入通道 0 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 ： ：标准 I/O 口 PORT1[1] ADC1： ADC 输入通道 1 ： ：标准 I/O 口 PORT1[2] ADC2： ADC 输入通道 2 EX_LVD：外部低压检测中断 /比较器 RST2：第二复位功能脚 : ：标准 I/O 口 PORT1[3] ADC3： ADC 输入通道 3 : ：标准 I/O 口 PORT1[4] ADC4： ADC 输入通道 4 : ：标准 I/O 口 PORT1[5] ADC5： ADC 输入通道 5 : ：标准 I/O 口 PORT1[6] ADC6： ADC 输入通道 6 : ：标准 I/O 口 PORT1[7] ADC7： ADC 输入通道 7 P2 口： Port2： P2 口内部有上拉电阻，既可作为输入 /输出口，也可作为高 8 位地址总线使用（ A8A15）。 当 P2 口作为输入 /输出口时， P2 是一个 8 位准双向口。 ： :标准 I/O 口 PORT3[0] RxD:串口数据接收端 ： :标准 I/O 口 PORT3[1] TxD：串口数据接收端 ： :标准 I/O 口 PORT3[2] 0INT ：外部中断 0，下降沿中断或低电平中断 ： :标准 I/O 口 PORT3[3] 1INT ：外部中断 1，下降沿中断或低电平中断 ： ：标准 I/O 口 PORT3[4] T0：定时器 /计数器 0 的外部输入 ECI： PCA 计数器的外部脉冲输入脚 CLKOUT0：定时器 /计数器 0 的时钟输出，可通过设置 WAKE_CLKO[0]位/T0CLKO 将该管脚配置为 CLKOUT0 ： ：标准 I/O 口 PORT3[5] T1：定时器 /计数器 1 的外部输入 CCP1：外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出 CLKOUT1：定时器 /计数器 1 的时钟输出，可通过设置 WAKE_CLKO[1]位/T1CLKO 将该管脚配置为 CLKOUT1 ： ：标准 I/O 口 PORT3[7] CCP0：外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、 高速脉冲输出及脉宽调制输出 RST：复位脚 XTAL1：内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。 当直接使用石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。 XTAL2：内部时钟电路反相放大器输出端，接外部晶振的另一端。 当直接使用外部时钟源时，此引脚可悬空，此时 XTAL2 实际将 XTAL1 输入的时钟进行输出、 VCC：电源正极 GND：电源负极，接地 (1)关于复位电路：时钟频率低于 12MHz 时，可以不用 C1， R1 接 1K 电阻到地时钟频率高于 12MHz 时，建议使用第二复位功能脚 (2)关于晶振电路：如果使用 内部 R/C 振荡器时钟 ， XTAL1 和 XTAL2 脚悬浮。 如果外部时钟频率在 27MHz 以上时，使用标称频率就是基本频率的晶体 ， 或直接使用外部有源晶振，时钟从 XTAL1 脚输入， XTAL2 脚必须浮空。 (3)A/D 转换模块的参考电压源： ST。