第一章

1.1研究背景

科技的不断进步带动了电子产业的不断发展，电子元件的类别也随之快速地增加，各类大大小小的电子产品更是层出不穷。科技是第一生产力，中国作为一个大国，同样越来越重视电子设计、生产、检测行业，更是在测量电阻电容等基础领域，求精求细。21世纪是一个信息化的时代，而信息化离不开电子产品，电子产品又离不开电子元器件，对电子元器件的测量能力一定程度上能够说明一个国家电子行业的发展程度。
电容作为一个基础的元器件，在每个电子产品的设计、生产和售后修理的过程中，对它的容值的准确测量非常重要。电子产品的设计，设计产品内部电路是主要工作，而在产品维修时，出现问题的往往也是产品内部电路。说起电路，电容在电子产品的核心电路中拥有无法替代的作用。所以，我的此次毕业设计，数显电容测量仪的设计，方显必要。
测量电容有很多方法，一般都是先测量电压、频率或者时间，然后再根据两者之间的关系，间接计算出电容容值。正是因为测量电容的方法较多，并且有一些方法相对复杂，我在查阅了相关论文、资料后，选择了本方案来实现数显电容容量的测量。

1.2研究目的

测量电容有很多方法，一般都是先测量电压、频率或者时间，然后再根据两者之间的关系，间接计算出电容容值。正是因为测量电容的方法较多，并且有一些方法相对复杂，我在查阅了相关论文、资料后，选择了本方案来实现数显电容容量的测量。通过该方法的测量，使得电容测量结果的可视化。
生活在一个信息化的时代下，而信息化离不开电子产品，电子产品又离不开电子元器件，对电子元器件的测量能力一定程度上能够说明一个国家电子行业的发展程度。电容作为一个基础的元器件，在每个电子产品的设计、生产和售后修理的过程中，对它的容值的准确测量非常重要。电子产品的设计，设计产品内部电路是主要工作，而在产品维修时，出现问题的往往也是产品内部电路。设计思想是以测量频率替代测量电容容值，然后利用单片机的计数、运算功能处理频率信号，求出待测电容的大小，最后送到显示器显示。

1.3数显电容测量仪设计研究现状

1.3.1 国内研究现状

赵巧妮在基于单片机的数显电容测试仪的设计中运用了AT89S51单片机和555定时器芯片等硬件设计了数显电容测量仪。
徐思成在一种基于单片机智能电容测试仪的设计与实现中谈到电容测试仪的仪表选取了MCS-51单片机为控制中心，结合了多谐振荡器和多路开关, 仅用较少的外围资源即可实现, 且结构简单, 成本低廉, 可获测量过程智能化和实现数字显示。
苏亮在便携式电容测试仪的设计与研究一文中，采用的检验装置为基于 MSP430 系列超低功耗的混合信号控制器的智能测量系统。根据实验数据，装置对电压、电流测量精度达到 0.5%，对电容器的测量精度达到 1%。测量精度实现预期功能。

1.3.2 国内外研究、水平和发展趋势

电容是近些年才批量生产的一种无源器件，国内对其参数测量的专用测量工具还不多，常见的是小容量（1000 法拉以下）测量仪器，或用电池测试工具替代，但受到了电压、电流、采样时间等制约，效果不理想。本文设计的测试仪是专为超级电容量身订做的，没有容量的限制，可根据需要实现相应功能。系统所采用的虚拟仪器技术、USB 通信技术等，均是较为先进的技术手段。

1.3.3 研究总结

根据我查找、阅读的相关资料，我们可以选择好几种方案完成数显电容测量仪的设计，一是使用纯模拟电路完成设计，二是使用PLC，CPLD与EDA相结合来完成设计，三是使用单片机与振荡电路相互配合来完成设计，等等。在设计前，下面就来对这几个方案进行比较：
(1)利用纯模拟电路实现：
此方案的编程比较简单，但是它的电路却很复杂，需要用到的电子元器件也比较多，还有一个致命的缺点，它的测量结果精确度低，不取；
(2)可编程逻辑控制器来实现：
此方案精确度很高，而且做出的成品体积不大，使用方便，灵敏度也比较高。正因为有这些优点，此方案在工业控制系统之中被广泛应用。但是，因为此方案用到PLC，要实现功能成本过高，不取；
(3)利用CPLD或者FPGA实现：
此方案使用VHDL语言完成设计，如果能完成实物，反应快，效率高。但是此方案相对而言比较复杂，工作量大，鉴于时间原因，不取；
(4)利用振荡电路与单片机结合实现：
此方案利用555多谐振荡电路将待测的电容容值，变换成频率信号，从而巧妙地完成AD转换。频率信号对于单片机来讲很方便处理，所以此方案一共有四个优点，一是测量的精确度高，二是可以使测量仪实现自动化，三是单片机具有可编程性，构成的测量系统可靠性很好，四是此方案的设计时间不长，成本不高。故取此方案。

1.4 研究内容与技术路线图

1.4.1 研究内容

第一，梳理设计思路。设计思想是以测量频率替代测量电容容值，然后利用单片机的计数、运算功能处理频率信号，求出待测电容的大小，最后送到显示器显示。电路设计可以分为测量部分和控制部分。
第二，硬件设计。硬件部分可以分为四个模块，一是单片机和单片机最小系统模块，包括电源、复位电路、晶振电路；二是555振荡电路模块，核心是555芯片，引脚接固定阻值的电阻和待测电容；三是显示电路模块，此方案选用1602显示器来显示；四是按键模块，此模块的各个按键本来分别属于上面三个模块，但为了做出的成品操作方便，所以将所有按键放在一起，并为一个模块。
第三，流程图与软件设计。本方案的源程序是用C语言写的，源程序又包括四个内容：一是系统初始化；二是计数器程序设计；三是显示程序编写；四是按键程序编写。源程序写完后，本方案利用Keil软件将源程序编译成为hex文件供单片机使用

1.4.2技术路线图

第二章 设计思路与硬件设计

2.1设计思路

此方案的设计思想是以测量频率替代测量电容容值，然后利用单片机的计数、运算功能处理频率信号，求出待测电容的大小，最后送到显示器显示。
此方案的电路设计可以分为测量部分和控制部分，测量部分即通过555振荡电路输出频率信号。控制部分的设计以STC89C52单片机为核心，利用其管脚功能和单片机具备的中断、定时、计数的功能和LED显示功能等等。此方案中显示部分则采用LCD1602显示器，设计简单，显示也较为清晰。下图2-1为系统设计的思路框图。
图2-1 系统设计框图
本方案可以分为四个模块，单片机和单片机最小系统模块，包括电源电路、复位电路、晶振电路；555振荡电路模块，核心是555芯片，引脚接固定阻值的电阻和待测电容；显示电路模块，此方案选用1602显示器来显示；按键模块，此模块的各个按键本来分别属于上面三个模块，但为了做出的成品操作方便，所以将所有按键放在一起，并为一个模块。
原理框图2-2如下：
图2-2 系统原理框图
依上文，本方案的硬件部分可以分为四个模块，一是单片机和单片机最小系统模块，包括电源、复位电路、晶振电路；二是555振荡电路模块，核心是555芯片，引脚接固定阻值的电阻和待测电容；三是显示电路模块，此方案选用1602显示器来显示；四是按键模块，此模块的各个按键本来分别属于上面三个模块，但为了做出的成品操作方便，所以将所有按键放在一起，并为一个模块，下面分别对这四个模块进行论述。

2.2STC89C52单片机工作电路

单片机电路模块是本设计的核心部分，本方案采用的单片机由宏晶科技生产，型号是STC89C52RC，这款单片机运行速度快，能耗低，性能稳定，可靠度高。主要特性如下：
1.时钟周期的选择为6个或者12个，兼容性好；
2.工作电压： 3.8V～2.0V（3V单片机）；5.5V～3.3V（5V单片机）；工作频率：0～40MHz；
3.内置8K空间大小的可编程只读闪存供用户使用；
4.单片机内集成了512字节RAM；
5.I/O口一共有32个，需要注意的是 P0口是漏极开路输出，需加上拉电阻；
6.具有看门狗的功能。
工作原理图2-1如下：

图2-1单片机原理图

2.2.1 单片机STC89C52

单片机的复位就是重启，是一个初始化操作，分为高电平复位和低电平复位，例如高电平复位，当RESET引脚接收到高电平信号（2个机器周期以上）时，单片机就会进行复位，复位后，单片机将会从0000H重新运行。有两种情况需要按复位键，一是系统初始化，二是人为的操作失误或者程序的运行错误，导致了整个系统锁死，即死机，则需要通过复位键复位。
STC89C52单片机需要在单片机外构建复位电路，本方案应用手动按键控制的方式，复位电路如图2-2所示。 
图2-2 复位电路图

2.2.2 基于STC89C52电容测量系统时钟电路

时钟电路就是用来给单片机提供时钟信号的，它在单片机中非常重要。STC89C52单片机其实就是一个比较复杂的同步时序电路，它内部的各个功能部件都是按时钟频率信号运行的，如果想让它正常工作，STC89C52单片机就应该在拥有唯一的时钟信号，并且严格地按照时序来执行指令，所以时钟电路非常重要。 
图2-3时钟电路图
 
时钟电路分内部、外部两种工作模式，当电路中有两片及两片以上单片机同时工作时，为了便于同步，一般使用外部时钟模式，本方案中只用到一个单
片机，所以采用内部时钟方式，电路图如图2-3所示
本方案中，电路中的电容C1，C2选30pF，晶振选了12MHz。

2.2 数显电容测量系统的555振荡电路设计

振荡电路的设计，关键是要使电路产生稳定的振荡，本方案选择555定时器来产生振荡，有两个优点，一是该电路能产生持续振荡，二是振荡频率相对稳定，而且抗干扰性好，下面详细介绍。

2.2.1 555定时器和555芯片的简介
555定时器是一款简单实用，功能强大，用途很广，能够把模拟电路和数字电路结合起来的电路集成芯片，图2-4和图2-5是它的内部结构和555芯片引脚图。

图2-4 555结构图                          图2-5 555芯片引脚
555定时器内部结构如左图图6所示，左边三个串联的电阻构成了分压器，中间的两个运算放大器构成了比较器，右边是一组逻辑门电路，包括两个与非门和一个非门，上边的 是高电平触发器，下边是一个放电三极管。分压器的功能是分压，将的电压提供给比较器，将的电压提供给。
右图图7是555芯片的引脚图，555芯片共有8个引脚，简单介绍一下每个引脚的功能：1引脚接地；2引脚是触发输入；3引脚是输出端；4引脚为高电平复位；5引脚控制电压；6引脚是阈值端，高电平会触发；7引脚是放电端；8引脚接电源。

2.2.2 振荡电路的设计

本方案的硬件设计中测量部分必不可少，而测量部分又以555振荡电路为中心， 555芯片加上固定电阻、待测电容就能产生多谐振荡，多谐振荡电路正是用到了555定时器工作原理，下面介绍多谐振荡电路产生的原理，电路原理图如图2.6所示：
图2-6多谐振荡原理图触发器置1，定时器输出置高电平。这时电源又会给电容C充电，循环往复，形成多谐振荡信号。
下面计算振荡周期，由图8可知，振荡周期 ，其中，T1是电容充电所需时间，T2是电容放电所需时间。
充电时间：
2.3 数显电容测量仪系统显示电路

2.3.1 显示电路设计的方案选择

设计显示电路同样有着多种方法，比较简单方便的两种就是数码管显示和1602液晶屏显示，下面比较这两者的优缺点，并做出选择。
对比这两种方案，数码管的优势是：亮度高，显示清晰，驱动它的编程部分简单；缺点是：耗电大、体积大。显示更加清晰的原因是数码管属于自发式发光，液晶则是背光式的。因此采用数码管显示能够使信息表现得更加清晰。
1602液晶显示则拥有更多的优势，包括：耗电量小、没有闪烁、能够显示的内容丰富、可靠度高、使用方便、便于携带等等。但缺点是：需要背光照明，并且可视角度也会有限制。根据本次毕业设计的要求，液晶的耗电量比较少，而且能够显示更加丰富的内容，所以，综合来看，本设计选择使用1602液晶来显示数据。

2.3.2 显示电路方案设计

数显电容测量仪系统的显示电路选择LCD液晶显示方案，首先介绍一下1602液晶显示器，1602液晶统称为1602字符型液晶（16列2行）。1602字符型液晶功能丰富，是一款可以显示数字、符号、字母的液晶模块。工业字符型液晶显示，能够同时显示出16x2（32）个字符。它主要是由很多个的05x11或者05x07等点阵字符位组成的，每一个点阵字符位都可以表示一个字符。并且它的价格也不算太贵。本方案的显示模块采用2行16个字的液晶显示器，如图2.7为LCD1602引脚图。
图2-7 LCD1602引脚图
1602 采用标准的16脚接口，其中:
第1脚：VSS为地电源；
第2脚：VDD接5V正电源；
第3脚：用于调整显示器的对比亮度；
第4脚：用于选择哪个寄存器，置0时指令寄存器工作，置1时数据寄存器工作；
第5脚：用于选择读或者写，置1时读，置0时写；
第6脚：该引脚是使能端，该引脚由高电平转为低电平时，1602显示器工作；
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线；
第15～16脚：空脚。
1602显示器一共集成了11 个控制指令，如图2-8： 
图2-8 1602指令
指令1：让屏幕清零；
指令2：使光标复位，让光标回到地址00H；
指令3：用来移动光标；
指令4：用来显示开关控制；
指令5：用来移动光标或者显示移位；
指令6：用来设置功能，命令；
指令7：用来设置字符发生器RAM地址；
指令8：DDRAM地址设置；
指令9：读忙信号和光标地址；
指令10：写数据；
指令11：读数据；
把1602液晶显示器和单片机按照图11方式连接好，往单片机中烧好程序，显示器就能正常工作，显示“C=0000uf ”等字符。
图2-9为1602显示器与单片机的连接电路图：
图2-9连接图

2.4 按键模块设计

按键是一种辅助元器件，它的功能是完成一次电路连接，看似简单，但它有着一个别的元器件无法替代的功能，就是当一个电子产品完成时，人们要想对该产品进行操作，往往只能通过按键完成。我将我这次毕业设计所需要用到的按键归并起来，放在一起，就是希望能够方便操作。

2.5 数显电容测量仪设计总体电路图

数显电容测量仪的每一个部分的模块电路都设计好之后，将所有模块拼接起来，组成一个完整的电路图，总电路如图2-10所示。
图2-10总电路图

2.6 系统所用元器件

本次毕业设计，数显电容测量仪所需元器件清单如下表2-1所示：
表2-1 元器件清单

元件种类Category	Reference	型号Value	数量
Resistors	R1	10k	1
Resistors	R2	10k	1
Resistors	R3	200	1
Resistors	R4	10k	1
Resistors	R5	10k	1
Capacitors	C1	22uF	1
Capacitors	C2	30pF	1
Capacitors	C3	30pF	1
Capacitors	C4	25uF	1
Capacitors	C5	10uF	1
Integrated Circuits	U1	AT89C51	1
Integrated Circuits	U2	555	1
Integrated Circuits	U3	74HC08	1
Miscellaneous	LCD1	LM016L	1
Miscellaneous	RP1	RESPACK-8	1
Miscellaneous	SW1	SW-SPST	1
Miscellaneous	SW2	SW-SPST	1
Miscellaneous	X1	CRYSTAL	1