数字电容测量仪设计

数字电容测量仪设计内容摘要：

口使用。 当作为通用的 I/O 输入时，应先向端口锁存器写入 口可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 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 ≤ 的低电平。 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。 此外，单片机在正常运行时， ALE 端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率 f 的 1/6。 该正脉冲振荡信号可做外部定时或出发信号使用。 但是要注意每当 STC89C52 访问外部 RAM 时（即执行 MOVX 类指令时），要丢失一个 ALE 脉冲。 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。 江苏师范大学物理与电子工程学院 数显电容测量仪课程设计 5 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。 当 EA 引脚接高电平时，在 PC 值不超出 0FFFH 时，将自动转向读取片外 60KB 程序存储器空间的程序。 当 EA 引脚接高电平时，只读取外部程序存储器中的内容，读取的地址范围为 0000HFFFFH，片内的 4KB Flash 程序存储器不起作用。 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。 STC89C52 应用说明 STC89C52 主要性能如表 1 所示 : 表 1 STC89C52 主要性能 STC89C52 各引脚性能 STC89C52 各引脚性能 与 MCS51 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： 0Hz～ 33Hz 32 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 江苏师范大学物理与电子工程学院 数显电容测量仪课程设计 6 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。 该设计使用了 STC89C52 芯片，该芯片自带 8K FLASH 程序存储器，在通常情况下，该芯片的这 8K 的存储空间是足够我们使用的，因此 STC89C52 芯片的第 31 个引脚一般都用来接高电平，所以我们只用芯片本身内部提供的 8K 程序存储器。 单片机的时钟电路通常由 12M 的晶振及两个 30P 的电瓷电容组成，它们共同决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 江苏师范大学物理与电子工程学院 数显电容测量仪课程设计 7 3 数字电容测量仪系统工作原理 整体方案设计 本设计是通过一块 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： CxRf * 我们固定 R 的大小，其公式就可以写为： Cxkf 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 3： 图 3 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。 被测电容 复位电路 555 晶振电路 LCD1602 按键测量 S T C 8 9 C 5 2 江苏师范大学物理与电子工程学院 数显电容测量仪课程设计 8 系统按键电路 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 4 就是一种比较典型的按键电路，在按键没有按下的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候，输出的是低电平。 电路图见图 4： 图 4 系统按键电路 系统复位电路 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 5 中所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江苏师范大学物理与电子工程学院 数显电容测量仪课程设计 9 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 5 系统复位电路 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 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 6 所示： 江苏师范大学物理与电子工程学院 数显电容测量仪课程设计 10 图 6 555 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fT 1，所以 * 即： *CT R 如 果单片机采用 12M 的晶振，计数器 T0 的值增加 1，时间就增加 1μS ，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 1N ，第二次中断到来停止 T0，计数器器的值为 2N ，则测量方波的周期为 21( ) *1T N N us 江苏师范大学物理与电子工程学院 数显电容测量仪课程设计 11 如何开始时刻计数器的值 1 0N ，则 6*10TN。 则： 60 .7 7 2* * 1 0CN R  单片机的计数器的值 N=065535，为了测量的精度， N 的取值一般在。