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1、上海水产大学本科毕业论文1第第1 1章章 绪绪 论论随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求 的目标之一。由于单片机适用与机，电，仪一体化的智能产品， 它具有精度高，低功耗，控制功能强，小巧等优点。把它用到仪 器仪表上，可使产品的体积缩小，功能增强，实现不同程度的智 能化。因而受到人们高度重视，并取得了一系列科研成果，成为 传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，更有广阔的发 展前景。数字电容表就是单片机应用的一个实例，在实际应用中给人民带 来了极大的便利。测量电容器充电达到该电压的时间，便能知道 充电器的容量。现在国内市场上上海，广东等电子科技发达地区 比较火爆，而在国际上则
2、是日本，美国，德国的产品处于领先地 位。近年来随着国内电子事业的飞速发展，广东，台湾等地的产 品已经赶上或是接近了国际先进水平，其精确度，稳定性，以及 多功能的设计得到了人们的认可，被越来越多的工作者所接受。 本文介绍了一种对电容器进行数字测量的设计方案，数字电 容表采用AT89C2051单片机做编程控制器，实现对电容器的测量 。此仪器是一种性能价格比高的具有结构简单，精度高的智能仪 表。其量程范围采用3位半数字显示，最大显示值为1999，读数 单位统一采用毫微法（nf），量程分四挡，实际电容值为读书乘 以相应的倍数；测量误差各挡误差均小于0.5%；显示方式为4位L ED显示，并具有超量程显示
3、功能。上海水产大学本科毕业论文2第第2 2章章系统组成框图系统组成框图由图一可知，本电容表的硬件电路由AT89C2051单片机、复 位电路、时钟振荡电路、电源滤波电路、键盘扫描电路、数码管 显示电路、测试电路以及电源电路组成。其中89C2051单片机是 中央计算处理器，它内中ROM烧录了程序，它统一调度和管理所 有接口电路工作。复位电路是为单片机提供复位信号而设计的。 时钟振荡电路是为单片机提供时钟振荡信号而设计的。电源滤波 电路是为系统抗高频或低频干扰而设计的。键盘扫描电路是为扫 描人机键盘接口而设计的。数码管显示电路是为显示测量结果而 设计的。测试电路是为测试电容冲充电且电容充电过程中与基
4、准 电压比较而知道电容充电完毕而设计的。电源电路是提供系统电 源而设计的图一：系统框图89C2051复位电路时钟振荡 电路电源滤波 电路电源电路键盘扫描 电路数码管显 示电路测试电路上海水产大学本科毕业论文3第第3 3章章系统硬件设计系统硬件设计31 系统原理图以下是系统原理图，下面对每块电路详细讲解。上海水产大学本科毕业论文432 单片机单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机。AT89C2 051是低电压，高性能CMOS八位单片机，片内含2K字节的可反复 擦写的只读程序存储器和128字节的随机存取数据存储器，器件 采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产与标准MCS
5、- 51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用八位中央处理器和 Flash存储单元，功能强大适合于许多较复杂控制应用场合。AT89C2051AT89C2051主要性能参数：主要性能参数： 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容 2K字节可重复擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 三级加密程序存储器 128x8字节内部RAM 15个可编程I/O口线 2个16位定时/计数器 5个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式上海水产大学本科毕业论文533 复位电路复位电路采用RC充电电路组成上电复位单片机电路，当系统 上电时，在上电初期，电容C充电，使
6、复位脚持续高电平，当C充 电到达一定程度复位脚电位会慢慢变低，最后被电阻R完全拉低 ，高电平复位的时间由充电的时间决定，充电时间又由R与C的阻 值和容值之积决定。上海水产大学本科毕业论文634 时钟振荡电路AT89C2051中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大 器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个 放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成 自激振荡器。片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放 大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没 有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高 低、振荡器工作的稳定性、
7、起振的难易程序及温度稳定性，这里 我们采用电容30pF，晶振采用11.0592M。时钟振荡电路如下图：上海水产大学本科毕业论文735 电源滤波电路在电源电路中我们使用了三个滤波电容，使用滤波电容主要 目的是为了消除电源波动对系统的干扰，提高系统的抗干扰能力 ，其中0.01F（103）电容是用来滤高频杂波干扰，470u电容是 用来滤低频杂波干扰。36 键盘扫描电路本系统键盘只有1个按键组成，键盘采用动态扫描方式得到 键值。如图：ST的电位在没有按键按下的时候是高电平，当K1按 下后，ST会迅速拉低成低电平，然后再判断K1键是不是松开，若 松开得到键值后调用键盘按下功能程序，注意：键盘加上去键盘
8、抖动程序能准确可靠的工作。这里K1键是开始测试键。上海水产大学本科毕业论文837 数码管显示电路显示屏由四位七段数码共阴管组成，采用3位半数字显示， 最大显示值为1999。其中数码管段选数据由单片机的P1口提供， 数码管片选信号由74HC595增加驱动能力后提供的。这里我们采 用动态显示方式来显示测量结果。动态显示方式介绍： 一般利用数码管显示结果有两种显示方式，一种是动态显示 方式，一种是静态显示方式。静态显示方式主要适合于单片机系 统程序功能比较复杂，计算工作量比较大的场合（单片机没有时 间来动态扫描显示计算结果），静态显示方式成本比较高。动态 显示方式主要与静态显示方式正好相反主要适合于
9、单片机系统程 序功能比较简单，计算工作量比较小的场合（单片机有时间来动 态扫描显示计算结果），动态显示方式虽然程序复杂点，要占用 单片机的工作时间，但成本相对来说比较低。这里我们详细介绍 一下动态显示方式的工作过程。首先将要显示的第1位数字的段 选码送到数码管的数据口，再由片选线选中点亮第1位的数码管 （其它数码管都不选中点亮），然后再将待显示的第2位数字的 段选码送到数码管的数据口，再由片选线选中点亮第2位的数码 管（其它数码管都不选中点亮），依次循环全部显示点亮完所有 的数码管后再重第1位开始循环点亮。由于人眼睛有视觉暂态， 显示的扫描速度要远远大于人眼的分辨速度。所以人眼看起来都 是连续
10、的，不闪烁。按照上面的程序单片机需要在每次指令循环 后动态刷新各位数码管，若停止刷新那么数码管将不能正常显示 结果。上海水产大学本科毕业论文974HC59574HC595串入并出驱动芯片介绍：串入并出驱动芯片介绍：74HC595芯片是一个带输出锁存的串入并出的驱动CMOS 工艺芯片，在这里我们是为了增加数码管的片选驱动而设计。7 4HC595的每段最大驱动电流是100mA，与单片机采用串行接口 ，接口只有三条口线，接口简单大大节约了单片机的口线资源。 并带输出锁存。按照动态显示程序我们第1次将二进制数据0111 1111送入芯片点亮第1位数码管，然后再将二进制数据1011111 1送入芯片点亮
11、第2位数码管，然后再将二进制数据11011111送 入芯片点亮第3位数码管.。这样我们就能正常显示测量结果 。上海水产大学本科毕业论文1038 测试电路测试电路由两部分组成，第一部分是电容充电电路，第二部 分是电压比较电路。我们先谈第一部分电路，三极管T1作为开关 用，当OP是高电平时T1饱和导通，这时T1的发射级的电压近视等 于VCC，电流经过充电电路开始充电。当OP是低电平时T1截止， 这时T1的发射级的电压被电阻R6拉到了地电位。单片机通过控制 OP处的电平来控制开始测量时间。插座CZ1是电容充电插入插座 ，其中插座的1脚接电容的负极，插座的2脚接电容的正极。多路 选择开关KEY是个测量
12、档位调节电路共有四档位：1K是读数乘以1 000档，10K是读数乘以100档，100K是读数乘以10档，1M是读数 乘以1档。按键K2是电容放电键手工将充满电的电容将电放掉。 第二部分是电压比较电路，由一个基准电压调节电路和芯片LM39 3组成。LM393是双电压比较器，单电源+2+36V，双电源1 18V。 主要参数：在电源电压为+5V时，输入偏移电压1mV，输入偏移电 流最大50nA，电压增益200VmV，电源电流0.6mA，响应时间1.3 us，低电平输出电压0.2V,最大0.4V，输出漏电流0.1nA，允许耗 500mW。当IN+电压大于IN-电压输出高电平，当IN+电压小于IN- 电
13、压输出低电平。基准电压调节电路是用来调节电容充电满的标 志电压，当电容充电后的电压大于基准电压那么认为电容充满了 电，反之则认为正在电容充电并累计充电时间。上海水产大学本科毕业论文1139 电源电路系统由9V电池供电，由一片LM7805将9V电源稳压在5V上。5V 电源给所有芯片和电路供电。上海水产大学本科毕业论文12第第4 4章章系统软件设计系统软件设计4. 1 软件开发环境软件采用C51高级语言编制，采用南京伟福出品的wave仿真 器进行电路仿真。软件环境： Windows98、Windows2000、WindowsXP 操作系统、Wave6000仿真软件一套硬件环境： 电脑一台：配置CP
14、U PII266M以上、内存64M以上、硬盘1G以上wave6000仿真器一台，H8X5X仿真头一个，40转20针转接头一个 。上海水产大学本科毕业论文1342软件流程图按键程序：按键程序：YYYY开始设置定时器1 5ms定时有按键按下？去键盘抖动是键按下？开始测量121刷新显示上海水产大学本科毕业论文14充电：充电：打开充电电源 打开定时器1充电电压高于基 准电压？关闭定时器1 得到整个充电时间 计算电容值 将电容值放入显示缓冲区 更新显示。21上海水产大学本科毕业论文15中断子程序：中断子程序：定时器1中服程序累计充电时间=累计充电时 间 + 5ms保护中断现场恢复中断现场结束中服程序上海
15、水产大学本科毕业论文16第第5 5章章调试和分析调试和分析51 制作和调试制作步骤注意：1）按照电路图搭好电路，采用稳 压制作输出 +的电源供电。2）为使测量电容方便，可用带锁的两芯插座 ，测量电容时候将电容插上锁定住，那样可以保证测试过程中的 准确。3）R2、R3、R4、R5充电电阻应选用阻值较精确的五环电 阻，甚至可以直接选用精密电阻，以保证电容测量精度。4）数 码管的每段最好串接200电阻，以防止电压过高会烧坏数码管 ，也能保证数码管的发光亮度。5）在单片机的每个控制口线上 都需要增加1个10K的上拉电阻，这样能增加单片机的抗干扰能力 。6）注意多级去耦，电路中每片集成电路芯片的电源引脚
16、上均 加一个0.01F(103)瓷片电容，这样能增加系统的抗干扰能力。 以上都是在制作过程中需要注意的几个问题，若能按照以上制作 硬件电路将不会有什么问题。调试步骤：1）将基准电压调节到大约4.8V左右，将标准电 容1u放到测量插座上，将档位打到1M电阻档，按键开始测量后看 测试结果显示的是不是1000，若大于1000则将基准电压RP1调高 ，手工放电后重新按键开始测量。若小于1000则将基准电压RP1 调低，手工放电后重新按键开始测量。直到调试到1000为止。2 ）四档位测量读数解释：当打到1K档读数读到50的话那么被测量 的电容是50*1000=50000nf、当打到10K档读数读到50的话那么被 测量的电容是50*100=5000nf、当打到100K档读数读到50的话那 么被测量的电容是50*10=500nf、当打到1M档读数读到50的话那 么被测量的电容是50*1=50nf。那么整个测量范围是：1nf 1999000nf。上海水产大学本科毕业论文1752
