实用电容测量仪设计(DOC)
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实用电容测量仪设计
姓名:刘立鹏
专业:电子信息工程
班级:电子10
学号:20104075008
时间:2013年4月8日
1功能说明………………………………………………………………………3
2 整体方案设计…………………………………………………………………4
2.1 方案论证……………………………………………………………………4
图3.1单片机工作电路
3.2
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。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。
3.2.1内部时钟电路
内部时钟方式：内部时钟方式电路图如下图3.2所示。
3.2.2外部时钟电路……………………………………………………………8
3.3 555芯片电路
3.4 系统显示电路
3.5 系统按键电路
3.6 系统总电路图
4 软件设计
4.1软件设计原理及所用工具…………………………………………………13
4.2软件设计流程图……………………………………………………………15
图2.1 多谐振荡原理图
这种方法是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：直接根据充电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r=RC，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（T为振荡周期或处罚时间；A为电路常数与电路参数有关）。这种方法中应用于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。其原理如图2.2所示.
4.3 编写程序……………………………………………………………………16
6 设计总结………………………………………………………………………22
7 参考文献
1功能说明：基于AT89C51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，再通过该频率计算出被测参数。在系统软件设计中，是以Proteus为仿真平台，使wenku.baidu.comC语言编程编写了运行程序。该测量仪具有结构简单，成本低廉，精度较高，方便实用等特点。
2.2 方案选择……………………………………………………………………6
3 单元模块设计
3.1 AT89C51单片机工作电路…………………………………………………6
3.2系统时钟电路………………………………………………………………7
3.2.1内部时钟电路……………………………………………………………7
3 单元模块设计
通过简单的系统框图，系统主要由四个主要部分组成：单片机，晶振电路设计，555芯片电路设计，显示电路设计，复位电路设计。
3.1
本设计的核心是单片机电路，考虑到需要一个中断输入，存储容量、外部接口对单片机端口的需要以及兼顾到节约成本的原则，选用了常用的AT89C51单片机。AT89C51是低功耗、高性能、经济的8位CMOS微处理器，工作频率为0—24MHz，内置4K字节可编程只读闪存，128x8位的内部RAM，16位可编程I／O总线。它采用Atmel公司的非易储器制造技术，与MCS51的指令设置和芯片引脚可兼容。AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了。其最简单的工作原理图如下图。
图3.2 内部时钟电路
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。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1.2MHz—12MHz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。
图2.3 基于AT89C51单片机和555芯片构成的多谐振荡电路电容测量
2.2 方案选择
通过对上述方案的比较，已知方案三不仅硬件结构简单，而且软件设计业简便。能够满足测量精度高、易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。所以选择方案三。
2 整体方案设计
本设计的整体思路是：基于AT89C51单片机和555芯片的数字式电容测量。该方案主要是根据555芯片的应用特点，把电容的大小转变为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。
2.1 方案论证
设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。
方案一：利用多谐振荡原理如图2.1所示。电容C电阻R和555芯片构成一个多谐振荡电路。在电源刚接通时，电容C上的电压为零，多谐振荡器输出V0为高电平V0通过R对电容C充电。当C上冲得的电压Vc=Vr时，施密特触发器翻转，V0变为低电平，C又通过R放电，Vc下降。当Vc=Vr时施密特触发器又翻转，输出Vc又变为高电平，如粗往复产生震荡波形。
图2.2 根据充电放电时间判断电容值原理
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的问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大。
方案三：基于AT89C51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大小跟被测量的电容之间的关系是：f=0.772/(R*Cx),我们固定R的大小，其公式就可以写为：f=k/C x，只要我们能测量出555芯片输出的频率，就可以计算出测量的电容。如图2.3所示。
姓名:刘立鹏
专业:电子信息工程
班级:电子10
学号:20104075008
时间:2013年4月8日
1功能说明………………………………………………………………………3
2 整体方案设计…………………………………………………………………4
2.1 方案论证……………………………………………………………………4
图3.1单片机工作电路
3.2
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。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。
3.2.1内部时钟电路
内部时钟方式：内部时钟方式电路图如下图3.2所示。
3.2.2外部时钟电路……………………………………………………………8
3.3 555芯片电路
3.4 系统显示电路
3.5 系统按键电路
3.6 系统总电路图
4 软件设计
4.1软件设计原理及所用工具…………………………………………………13
4.2软件设计流程图……………………………………………………………15
图2.1 多谐振荡原理图
这种方法是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：直接根据充电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r=RC，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（T为振荡周期或处罚时间；A为电路常数与电路参数有关）。这种方法中应用于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。其原理如图2.2所示.
4.3 编写程序……………………………………………………………………16
6 设计总结………………………………………………………………………22
7 参考文献
1功能说明：基于AT89C51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，再通过该频率计算出被测参数。在系统软件设计中，是以Proteus为仿真平台，使wenku.baidu.comC语言编程编写了运行程序。该测量仪具有结构简单，成本低廉，精度较高，方便实用等特点。
2.2 方案选择……………………………………………………………………6
3 单元模块设计
3.1 AT89C51单片机工作电路…………………………………………………6
3.2系统时钟电路………………………………………………………………7
3.2.1内部时钟电路……………………………………………………………7
3 单元模块设计
通过简单的系统框图，系统主要由四个主要部分组成：单片机，晶振电路设计，555芯片电路设计，显示电路设计，复位电路设计。
3.1
本设计的核心是单片机电路，考虑到需要一个中断输入，存储容量、外部接口对单片机端口的需要以及兼顾到节约成本的原则，选用了常用的AT89C51单片机。AT89C51是低功耗、高性能、经济的8位CMOS微处理器，工作频率为0—24MHz，内置4K字节可编程只读闪存，128x8位的内部RAM，16位可编程I／O总线。它采用Atmel公司的非易储器制造技术，与MCS51的指令设置和芯片引脚可兼容。AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了。其最简单的工作原理图如下图。
图3.2 内部时钟电路
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。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1.2MHz—12MHz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。
图2.3 基于AT89C51单片机和555芯片构成的多谐振荡电路电容测量
2.2 方案选择
通过对上述方案的比较，已知方案三不仅硬件结构简单，而且软件设计业简便。能够满足测量精度高、易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。所以选择方案三。
2 整体方案设计
本设计的整体思路是：基于AT89C51单片机和555芯片的数字式电容测量。该方案主要是根据555芯片的应用特点，把电容的大小转变为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。
2.1 方案论证
设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。
方案一：利用多谐振荡原理如图2.1所示。电容C电阻R和555芯片构成一个多谐振荡电路。在电源刚接通时，电容C上的电压为零，多谐振荡器输出V0为高电平V0通过R对电容C充电。当C上冲得的电压Vc=Vr时，施密特触发器翻转，V0变为低电平，C又通过R放电，Vc下降。当Vc=Vr时施密特触发器又翻转，输出Vc又变为高电平，如粗往复产生震荡波形。
图2.2 根据充电放电时间判断电容值原理
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的问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大。
方案三：基于AT89C51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大小跟被测量的电容之间的关系是：f=0.772/(R*Cx),我们固定R的大小，其公式就可以写为：f=k/C x，只要我们能测量出555芯片输出的频率，就可以计算出测量的电容。如图2.3所示。