单片机技术课程设计报告电容检测与液晶显示电路设计

单片机应用系统课程设计单片机技术课程设计报告设计课题：电容检测与液晶显示电路设计 专业班级： 09电子工程（1）班 学生姓名： * 指导教师： * 设计时间： 2011.10.14-2011.12.03 物理与电子工程学院 目 录 摘要21 绪论31.1 设计的意义31.2 设计的实现形式32 设计内容及要求42.1 设计的目的及主要任务42.2 设计要求43 方案选择54 原理图设计和仿真54.1 原理图分析64.2 程序算法设计64.3 软件设计流程74.4 电路仿真85 电路调试和pcb制作 95.1 pcb图和制板流程 105.2 电路的调试方案 115.3 测试数据 116 实验心得 12附录 13电容检测与液晶显示电路的设计摘 要在现实生产生活中，电容检测有广泛的应用，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，常常要测定电容的大小。一个好的电子产品应具备一定规格年限的使用寿命。在生产环节中，对其产品的检测至关重要，而检测电子产品是否符合出产要求的关键在于检测其内部核心的电路，电路的好坏决定了电子产品的好与坏，而电容在基本的电子产品的集成电路部分有着其不可替代的作用。同样，在维修人员在对电子产品的维修中，电路的检测是最基本的，有时需要检测电路中各个部件是否工作正常，电容器是否工作正常。因此，设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。针对电容研发过程中缺乏有效的电容检测仪器的问题，设计了一种电容检测并用液晶实时显示电路系统，给出了系统的硬件设计以及单片机和上位机部分的软件设计，并对系统的检测精度进行了测试。结果证明，该系统具有较高的检测精度。关键词：NE555定时器 电容检测 LED1602液晶 多谐振荡1.绪论当今电子测试领域，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。电容定义为：电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，即：。这种原始的方法必须通过测量两个物理量来计算电容的大小，而其中的Q是比较难以测量的量。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。本方案的硬件设计和软件设计都相对简单。1.1 设计的意义电容器作为非常重要的一个电学元件在现代电子技术中有着非常广泛的用途，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。电容器作为非常重要的一个电学元件在现代电子技术中有着非常广泛的用途，需要有较高的可靠性和稳定性，因此加强对电容检测测试的重视度以及对仪器本身的研究。1.2 设计的实现形式 在电容检测与液晶显示电路中，通过选通电路来实现不同范围的电容检测；通过调节滑动电阻来实现液晶的显示对比度；通过不同程序设计来实现不同精确度检测。2.设计内容与要求2.1 设计目的及主要任务设计目的：1 掌握电子系统的一般设计方法；2 掌握单片机AT89C51、NE555定时器和LCD1602液晶的使用；3 熟悉分块电路的设计；4 培养综合应用所学知识来指导实践的能力；5 掌握常用元器件的识别和测试；6 熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。设计任务：根据已知条件，完成对电容检测电路的设计、装配与调试，并设计出不同精度、范围的对照表。AT89C51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；复位电路：为单片机提供高电平复位信号；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；2.2 设计要求能对电容进行检测，并用液晶显示；实现不同电容精度的设计；实现不同电容范围的设计；设计出不同精度、范围的对照表。3. 方案选择方案一：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。方案二：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。本方案的硬件设计和软件设计都相对简单。4.原理图设计和仿真 基于AT89C51单片机和555芯片构成的多谐振荡电路电容测量系统框图如下AT89C51 555晶振电路被测电容LCD1602显示复位电路测量按键图1 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，显示电路设计，复位电路设计。4.1原理图分析 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：，我们固定的大小，其公式就可以写为：，只要我们能够测量出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和中断配合使用来测量，这种研究方法相当的简单。4.2程序算法设计整个程序设计过程中遇到的最大的问题是如何根据测量到的方波的频率来计算所测量的电容的大小。在前面的介绍中我们知道：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，所以即：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1us，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，第二次中断到来停止T0，计数器器的值为，则测量方波的周期为，如何开始时刻计数器的值，则。简单时序图如下：图2 时序图则： 单片机的计数器的值，为了测量的精度，N的取值一般在1005000，当电阻R越大，电容C的值就越小。我们取不同的电阻值，就得到不同的电容测量的量程。第一档： 第二档： 第三档： 第四档： 为了编写程序的方便，我们只计算，后面的单位我们可以根据使用的量程自行添加。测量范围的大小为0.001uF734.86uF。4.3软件设计流程流程图是一种传统的算法表示法，它利用几何图形的框来代表各种不同性质的操作，用流程线来指示算法的执行方向。由于它简单直观，所以应用广泛，特别是在早期语言阶段，只有通过流程图才能简明地表述算法，流程图成为程序员们交流的重要手段。本次设计在软件设计方面的难度不是很大。图3为整个程序设计的流程图：图3 程序设计流程图有了前面的对整个系统的分析后画出的流程图，下面的工作就是根据流程图编写程序。编写程序是一个相当复杂的过程，要求编程人员具有很强逻辑思维，而且要在对整个系统工作原理相当熟悉的基础上面才能完成任务。在编写程序的时候要养成作注释的习惯，这样既利于自己以后的修改，又利于以后程序的维护。尤其是使用汇编语言编写程序的时候更是要注释，因为汇编语言是一门比较低级的语言，跟我们的高级语言不同，汇编语言比较的烦琐。当然编写程序遇到困难的时候还需要很大技巧。根据上面的流程图，编写程序：见附录。4.4电路仿真 根据电路原理图，用proteus仿真软件画出电路仿真图：图4 仿真图5 电路调试和PCB制作5.1PCB图和制板流程本次课题中，实验原理图和PCB图的设计用Protel 99来完成。其原理图和PCB图分别如图5和图6所示。图5 原理图图6 pcb图 根据电路原理设计好原理图，用protel99se软件画电路pcb图。画图时注意线宽、安全距离和焊盘大小，要画的尽量小，节约制板成本。制板时经历转印、腐蚀、打孔、焊接等实际制作过程。制作过程中要细心严谨。5.2电路的调试方案 本次实验中，调试过程由仪器直流稳压电源来实现，分别提供+5V的电压和地。接通电源之后，调节滑动变阻器Rw1，使液晶有较好的清晰度，较高的对比度。插入待测电容，插入跳线帽接通人一个选通电路，若不能显示数据，则换其它选通电路，直至能显示数据为止，记录下数据，多次测量取平均值。测量多种电容，记录测试范围。5.3 测试数据测试数据：在各个部分正常工作的情况下，开始测试其参数。验证是否满足设计要求。通过实际的硬件电路得到如下数据表格:被测电容值47uF10uF0.08uF0.05 uF0.03 uF测量值47.13uF10.04uF0.0829uF0.0531 uF00331uF被测电容值0.01uF0.0068uF0.005uF0.003uF0.002uF测量值0.0122uF0.00685 uF0.00531uF0.00322 uF0.00211uF图8 数据图表 表格中，相对误差=绝对误差/真值*100%；=/L*100%：绝对误差；L真值。通过表中的数据可以看出测量的数据还是比较准确的。测量范围的大小为0.001uF734.86uF。误差值比较小，但是它的相对误差比较大，因为在制作电路板中，所采用的电阻跟仿真图的电阻的阻值不相同，555芯片输出的方波可能不会如仿真时的那么标准平滑，即使加上一些去除毛刺和去干扰的电路例如加上一个两输入与门或者加上一个过零比较器或者泻回比较器波形还是不会那么理想，再加上单片机的测量也会存在一些误差所以综合以上的一些考虑，真实中的测量结果肯定要比仿真中的结果误差大。本次的方案虽然不能得出非常精确的测出结果，但是与具有精确检测的专业电路相比，本电路实现起来很容易，测量结果也比较准确，实际操作中也比较容易。实验结果记录和分析： 经过认真多次调试，得到大量的测试数据，整理计算后，发现各项指标均已达到设计要求。6.实验心得通过电容检测与液晶显示电路的设计，我基本上了解了电容检测的工作原理及其基本组成，同样了解到了电容检测的现状和应用前景，并且了解了它的发展方向。电容检测在现代技术中起着举足轻重的作用。但是现在知识体系还没有完全架构好，所以需要进一步的学习和提高。我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧。附录程序：#include "reg51.h"#include"intrins.h"/库函数#define DATA P0sbit RW=P21;/1602写数据sbit RS=P20;/1602写地址sbit EN=P22; /1602工作使能sbit b_test=P37; /开始测量电容的按键输入sbit _reset=P35; /555时基芯片工作控制信号unsigned int T_flag,C,i,Dis1,Dis0,D,N;unsigned int b9=0X13,0X0D,0X00,0X00,0X75,0X00,0X00,0X25,0X16; /显示C=00.00UF/*延时1MS*/void Delay1ms(unsigned int mm)unsigned int i; for(mm;mm>0;mm-) for(i=100;i>0;i-);/*检查忙否*/void Checkstates() unsigned char dat; RS=0; RW=1; doEN=1;/下降沿 _nop_();/保持一定间隔_nop_(); dat=DATA; _nop_();_nop_(); EN=0; while(dat&0x80)=1);/*LCD写命令函数*/void wcomd(unsigned char cmd) Checkstates(); RS=0; RW=0; DATA=cmd; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*LCD写数据函数*/void wdata(unsigned char dat) Checkstates(); RS=1; RW=0; DATA=dat; EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); EN=0;/*初始化*/void LCDINIT() Delay1ms(15); wcomd(0x38);/功能设置 Delay1ms(5); wcomd(0x38);/功能设置 Delay1ms(5); wcomd(0x01);/清屏 Delay1ms(5); wcomd(0x08);/关显示 Delay1ms(5); wcomd(0x0c);/开显示，不开光标/*显示函数*/void Display(void) /显示函数unsigned char i,j; unsigned char a12=0X4D,0X45,0X41,0X53,0X55,0X52,0X45,0X4D,0X45,0X4E,0X54,0X53;/显示measurements LCDINIT(); for(i=0;i<12;i+)/写显示第一行 wcomd(0x80+i); Delay1ms(1); wdata(ai); Delay1ms(1); for(j=0;j<9;j+)/写显示第二行 wcomd(0xc0+j); Delay1ms(1); wdata(0x30+bj); Delay1ms(1); Delay1ms(150);void main() IE=0x81; /打开全部的中断控制，并开启外部中断允许 TMOD=0x09; /T0为16位计数工作方式1 IT0=1; /设置外部中断的触发的方式为脉冲触发 TH0=0x00; TL0=0x00; T_flag=0; _reset=0; while(1) while(!b_test) /如果有测量按键输入就往下执行 i=0; _reset=1; /启动555时基芯片 EX0=1; /开启中断0 while(_reset) /超出等待时间，中断还没有过来，就退出 i+; if(i>5000) /设置最长等待时间 _reset=0; /最长等待时间到还没有中断，停止555 if(N<100) /如果计数值小于100，显示SMALL，表示应换用小一点的量程 b6=0X1C; b5=0X1C; b4=0X11; b3=0X1D; b2=0X23; if(N>5000) /如果计数值大于5000，显示LARGE，表示应换用大一点的量程 b6=0X15; b5=0X17; b4=0X22; b3=0X11; b2=0X1C; if(N>=100 && N<=5000) C=N/100; /计算电容整数位的大小 D=N%100; /计算电容小数位的大小 b2=C/10; /计算电容值的十位 b3=C-b2*10; /计算电容值的各位 b4=0X75; b5=D/10; /计算电容值的小数第一位 b6=D-b5*10; /计算电容值的小数第二位 Display(); /显示电容的大小 void int0(void) interrupt 0 /第一次中断开始计数，第二个中断停止计数 T_flag=!T_flag; if(T_flag=1) TR0=1; /开始计时 if(T_flag=0) TR0=0; /停止计时 EX0=0; /关闭中断 _reset=0; /停止发出方波 N=TH0*256+TL0; /计算计数器的值 N=N*5/3; TH0=0x00; /恢复初值 TL0=0x00; 16