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1、第 1 页 共 13 页- 1 -目录目录前言前言2 2一设计要求设计要求2 2二2.12.1 总体设计总体设计2 22.22.2 设计原理设计原理2 2三设计模块三设计模块3 33.13.1 多谐振荡器多谐振荡器3 33.23.2 分频器分频器3 33.33.3 秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路4 43.43.4 单片机单片机553.53.5 LCDLCD 显示器显示器993.63.6 无线数传模块无线数传模块1010四改进意见四改进意见10104.14.1 分频器的改进分频器的改进10104.24.2 秒脉冲的改进秒脉冲的改进1111五心得体会五心得体会1212六六. .参考文献参考文献131
2、3第 2 页 共 13 页- 2 -基于电容传感器的铝板厚度检测系统硬件设计基于电容传感器的铝板厚度检测系统硬件设计前言前言本设计采用的频率变换型电容传感器检测金属板带厚度的原理和方法, 完全消除了被测金属板带在测量头中上、下跳动对厚度测量的影响。直接对频率进行计数, 实现数字化的输出, 供单片机进行数据处理, 不需要再进行AD变换,。本硬件设计涉及到电容传感器及其信号处理电路，单片机，LCD显示技术以及无线通信技术，各个知识点相辅相成，构成了完善的基于电容传感器的铝板厚度检测系统。一设计要求一设计要求1.测量范围1到5毫米2.综合测量误差小于1%3.测量结果LCD实时显示4.配备无线数传功能
3、二总体设计二总体设计2.12.1 总体思想总体思想要测得铝板厚度，根据Cx = *S / dx 可看出，厚度与电容有一定数学关系，又根据f=1/T=1/R*Cx（VDD-VT-）VT+/(VDD-VT+)VT- 可知道频率与电容也有一定数学关系，所以根据两个关系式，测得频率即可知道铝板的厚度。2.22.2 设计原理设计原理由施密特触发器构成的多谐振荡器产生方波，令一方面设置第 3 页 共 13 页- 3 -一个秒脉冲电路，考虑到计算方便，设计了一个秒脉冲电路，输出端接到单片机的INTO.这样，每秒便产生一个中断。根据计算公式算出方波原始频率，根据计算结果确定是否需要分频，然后再接到单片机上。因
4、为单片机只能计数65536个，所以输入的频率不能太高，而使得计数溢出。单片机将计算结果在LCD显示器上显示，并由无线数传模块实现无线通信。三设计模块三设计模块3.13.1 多谐振荡器多谐振荡器如上图是由施密特触发器为CMOS电路CC40106构成的多谐振荡器。f = 1/T=1/R*Cx（VDD-VT-）VT+/(VDD-VT+)VT-其中由CC40106的电压传输特性上查到VT+=6.3V,VT-=2.7V,给定VDD=10V,R=10K。3.23.2 分频器分频器12Cx1R1GND第 4 页 共 13 页- 4 -74LS90 功能：十进制计数器（2 和5） 原理说明：本电路是由 4 个
5、主从触发器和用作除 2 计数器及计数周期长度为除 5 的 3 位 2 进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置 9 输入。为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将 B 输入同 QA 输出连接，输入计数脉冲可加到输入 A 上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。LS90 可以获得对称的十分频计数，办法是将 QD 输出接到 A 输入端，并把输入计数脉冲加到 B 输入端，在 QA 输出端处产生对称的十分频方波。3.33.3 秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路INPUT11 R0(1)2 RO(2)3 NC4 VCC5 R9(1)6 R9(2)7INPUT28 NC9 QA10 QD11
6、 GND12 QB13 QC14*74LS90第 5 页 共 13 页- 5 -CP016Q121Q132Q143Q64Q55Q76Q47VSS8VDD9Q1010Q811Q912RESET13CPx14-CP015CD4060U5Q11-Q12CLOCK13RESET14D15SET16VSS7VDD8Q29/Q210CLOCK211RESET212D213SET214CD4013U6GND1MR512Y1 3276810pFC1GNDGND5V5V本电路采用 32768HZ 晶体震荡器，利用 CD4060 芯片经过 14级分频得到 2HZ 的信号，再经过 CD4013 双 D 触发器经过二
7、分频得到 0.5HZ 的方波，即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。CD4013 的 Q2 输出端接单片机 INTO。3.43.4 单片机单片机选用 AT89C51 单片机，引脚图如下图所示：第 6 页 共 13 页- 6 -89C51 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8 位微控制器，它提供下列标准特征：4K 字节的程序存储器，128 字节的 RAM,32 条 I/O 线，2 个 16 位定时器/计数器, 一个 5 中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。外部晶振电路如下所示：P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.
8、78RESET9RXD/P3.010TXD/P3.111INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515EA/VPP16ALE/PROG17XTAL218XTAL119VSS20P2.0/AD821P2.1/AD922P2.2/AD1023P2.3/AD1124P2.4/AD1225P2.5/AD1326P2.6/AD1427P2.7/AD1528PSEN29WR/P3.630RD/P3.731P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC40
9、AT89C51第 7 页 共 13 页- 7 -复位电路如下图所示：（其中 R7 右端接 RESET 引脚。 ）引脚说明：VCC：电源电压GND:地P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，作为输出口用时，每个引脚能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路。当对 0 端口写入 1 时，可以作为高阻抗输入端使用。当 P0 口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0 口具有内部上拉电阻。在 EPROM 编程时，P0 口接收指令字节，同时输出指令字节在126MHz30pFc430pFC5GNDS11KR61KR7100pFC3GND第 8 页
10、 共 13 页- 8 -程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1 口：P1 口是一带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 口的输出缓冲能接受或输出 4 个 TTL 逻辑门电路。当对 P1 口写 1 时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1 口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL） 。P2 口：P2 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I/O 端口。P2 口的输出缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。当向 P2 口写 1 时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上
11、拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL） 。P2 口在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如 MOVX DPTR）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在这种情况下，P2 口使用强大的内部上拉电阻功能当输出 1 时。当利用8 位地址线访问外部数据存储器时（例 MOVX R1）,P2 口输出特殊功能寄存器的内容。当 EPROM 编程或校验时，P2 口同时接收高 8 位地址和一些控制信号。P3 口：P3 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I/O 端口。P3 口的输出缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。当向 P3 口写 1 时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此
12、时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL） 。RST:复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输PROG第 9 页 共 13 页- 9 -出脉冲，用以锁存地址的低 8 位字节。当在 Flash 编程时还可以作为编程脉冲输出（） 。PROG一般情况下，ALE 是以晶振频率的 1/6 输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当PSENAT89C52 执行外部程序存
13、储器的指令时，每个机器周期两PSEN次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。PSEN/VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部EA数据存储器从 0000H 到 FFFH 单元的指令，必须同 GND 相连接。EA需要主要的是，如果加密位 1 被编程，复位时 EA 端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，应该接到 VCC端。EAXTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.53.5 LCDLCD 显示器显示器选用的 LCD1602 引脚图如右图所示：VBB1VDD2VLCD3RS4RNW5E6DB07DB18DB29DB31
14、0DB411DB512DB613DB714LCDLCD1602U4第 10 页 共 13 页- 10 -3 36 6 无线数传模块无线数传模块选用 PTR2000 实现无线通信，引脚图如下：四改进意见四改进意见4.14.1 秒脉冲的改进秒脉冲的改进为了提高精度减小误差，在用秒脉冲电路时，可以用四秒脉冲，这样，单片机得出的计数值就要去除以四，相当于一次求平均数的过程，这样便能减小误差。具体做法如下所述： VCC1CS2D03D14GND5PWR6TXEN7U7PTR2000第 11 页 共 13 页- 11 -采用 32768HZ 晶体震荡器，利用 CD4060 芯片经过 12 级分频得到 8HZ 的信号，再经过 CD4013 双 D 触发器经过二分频得到 2HZ的方波，即输出四秒脉冲信号使单片机进行计数。CD4013 的 Q2输出端接单片机 INTO。4.24.2 分频器的改进分频器的改进设构成电容传感器的金属板面积为 10cm*5cm,间距 dx=1mm. Cx = Cx = *S / dx=4.427*10-11Ff=1/T=1/R*Cx（VDD-VT-）VT+/(VDD-VT+)VT- =1.4802*106HZ f1=f/128=11564.0625HZ 单片机计数个数 n = 4f1 = 46256.25 个（这里假定分频器是
