應(yīng)用單片機設(shè)計數(shù)字電容表課程設(shè)計說明書

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、課程設(shè)計目的…………………………………………………….2 </p><p>　　2、課程設(shè)計內(nèi)容和要求…………………………………………….2 </p><p>　　3、 設(shè)計方案………………………………………………………….2</p><p>

2、　　3.1設(shè)計思路……………………………………………………………2</p><p>　　一：單片機原理…………………………………………………….2</p><p>　　二：555電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理…………………………………3</p><p>　　3.2工作原理及硬件框圖…………………………………………………4</p><p>　　3.3

3、硬件電路原理圖…………………………………………………….5</p><p>　　3.4、PCB版圖設(shè)計……………………………………………………… 8</p><p>　　4、課程設(shè)計總結(jié)…………………………………………………………8</p><p>　　5、參考文獻……………………………………………………………10</p><p><b

4、>　　1、課程設(shè)計目的：</b></p><p>　?。?）掌握電子電路的一般設(shè)計方法和設(shè)計流程；</p><p>　?。?）學(xué)習(xí)簡單電路系統(tǒng)設(shè)計，掌握Protel99的使用方法；</p><p>　?。?）掌握邏輯電路、AT89C2051及555定時器的應(yīng)用。</p><p>　?。?）學(xué)習(xí)掌握硬件電路設(shè)計的全過程。<

5、;/p><p>　　2、課程設(shè)計內(nèi)容和要求：（1）學(xué)習(xí)掌握AT89C2051及555定時器的工作原理及應(yīng)用；</p><p>　　（2）熟練掌握應(yīng)用Protel99設(shè)計原理圖及制作PCB圖的過程；</p><p>　　（3）整理設(shè)計內(nèi)容，編寫設(shè)計說明書。 </p><p><b>　　3、 設(shè)計方案：</b&

6、gt;</p><p><b>　　3.1、設(shè)計思路</b></p><p><b>　　一：單片機原理</b></p><p>　　用單片機設(shè)計電路，由于使用軟硬件結(jié)合的方式，所以電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試也相對方便。該系統(tǒng)以AT89C2051單片機為核心，系統(tǒng)框圖如圖1所示。</p><p>

7、　　AT89C2051是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含2 KB可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128 B的隨機數(shù)據(jù)存儲器。器件采用AtmeI公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元。AT89C2051作為AT89C51的簡化版雖然去掉了P0，P2等端口，使I／O口減少了，但是卻增加了一個電壓比較器，因此其功能在某些方面反而有所增

8、強。引腳圖如圖2所示。</p><p>　　二：555電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理</p><p><b>　　電路組成及其引腳</b></p><p>　　(2)555的工作原理</p><p>　　它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5KΩ的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較

9、器C1同相比較端和低電平比較器C2的反相輸入端的參考電平為和。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號輸入并超過時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。</p><p>　　是復(fù)位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接。</p><p>　

10、　Vco是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。</p><p>　　T為放電管，當T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路.</p><p>　　(3)555電路的引腳功能</p&g

11、t;<p>　　3.2、工作原理及硬件框圖</p><p>　　該數(shù)字電容表以電容器的充電規(guī)律作為測量依據(jù)，測試原理見圖3。電源電壓E+經(jīng)電阻R給被測電容CX充電，CX兩端原電壓隨充電時間的增加而上升。當充電時間t等于RC時間常數(shù)τ時，CX兩端電壓約為電源電壓的63．2％，即0．632E+。數(shù)字電容表就是以該電壓作為測試基準電壓，測量電容器充電達到該電壓的時間，便能知道電容器的容量。例如，設(shè)電阻R的

12、阻值為1 kΩ，CX兩端電壓上升到0．632E+所需的時間為1 ms，那么由公式τ=RC可知CX的容量為1微法。具體測量電路如圖4所示。</p><p>　　圖3圖4</p><p>　　圖4中，A為AT89C2051內(nèi)部構(gòu)造的電壓比較器，AT89C2051的P1．0和P1．1口除了作為I／O口外，還有一個功能是作為電壓比較器的輸入端，P1．0為同相輸入端，P1．1為反相

13、輸入端，電壓比較器的比較結(jié)果存入P3．6口對應(yīng)的寄存器。電壓比較器的基準電壓設(shè)定為0．632E+，在CX兩端電壓從0升到0．632E+的過程中，P3．6口輸出為0，當電池電壓CX兩端電壓一旦超過0．632E+時，P3．6口輸出變?yōu)?。以P3．6口的輸出電平為依據(jù)，用AT89C2051內(nèi)部的定時器T0對充電時間進行計數(shù)，再將計數(shù)結(jié)果顯示出來即得出測量結(jié)果。  </p><p>　　3.3、硬件

14、電路原理圖</p><p>　　整機電路見圖5。電路由單片機電路、電容充電測量電路和數(shù)碼顯示電路等部分組成。</p><p>　　用 555電 路組成單穩(wěn)電路。當在它的第2腳加上一個負脈沖時，在它的輸出端第3腳輸出高電平 。</p><p>　　設(shè)5 55 電 路輸出高電平的時間為td。從(1)式可以求出td的大小與電容和電阻的數(shù)值有關(guān)，當td和電阻已知時，就可以用

15、(1)式計算出C的數(shù)值。</p><p>　　td=1.1RC(1)</p><p>　　C=td/1.1R(2)</p><p>　　在本 儀 器 中，電阻是已知的，只要測量出555電容的容量.可見，對電容的測量實際上是對555輸出高電平的時間，然后利用(2)式就可以計算出待測輸出高電平的時間的測量。</p><p><

16、;b>　　圖5 電路原理圖</b></p><p>　　AT89C2051內(nèi)部的電壓比較器和電阻R2-R7等組成測量電路，其中R2-R5為</p><p>　　量程電阻，由波段開關(guān)S1選擇使用，電壓比較器的基準電壓由5V電源電壓經(jīng)R6、</p><p>　　RP1、R7分壓后得到，調(diào)節(jié)RP1可調(diào)整基準電壓。當P1.2口在程序的控制下輸出</p

17、><p>　　高電平時，電容CX即開始充電。量程電阻R2-R5每檔以10倍遞減，故每檔顯示</p><p>　　讀數(shù)以10倍遞增。由于單片機內(nèi)部P1.2口的上拉電阻經(jīng)實測約為200K，其輸出</p><p>　　電平不能作為充電電壓用，用R5兼作其上拉電阻，由于其他三個充電電阻和R5</p><p>　　是串聯(lián)關(guān)系，因此R2，R3，R4應(yīng)由標準值

18、減去1 kΩ，分別為999 kΩ，99 kΩ</p><p>　　，9 kΩ。由于999 kΩ和1 MΩ相對誤差較小，所以R2還是取1 MΩ。    數(shù)碼管DS1～DS4、電阻R8～R14等組成數(shù)碼顯示電路。本機采用動態(tài)掃描顯</p><p>　　示的方式，用軟件對字形碼譯碼。P3．0～P3．5，P3．7口作數(shù)碼顯示七段筆劃</p><p

19、>　　字形碼的輸出，P1.3～P1．6口作四個數(shù)碼管的動態(tài)掃描位驅(qū)動碼輸出。在此采</p><p>　　用了共陰數(shù)碼管，由于AT89C2051的P1．3～P1．6口有25 mA的下拉電流能力，</p><p>　　所以不用三極管就能驅(qū)動數(shù)碼管。R8～R14為P3．0～P3．5，P3．7口的上拉電</p><p>　　阻，用以驅(qū)動數(shù)碼管的各字段，當P3的某一端口

20、輸出低電平時其對應(yīng)的字段筆</p><p>　　劃不點亮，而當其輸出高電平時，則對應(yīng)的上拉電阻即能點亮相應(yīng)的字段筆劃。</p><p>　　當接 通 電 源以后，+5V .電源要給C3充電，C3兩端電壓逐漸增加，當C3兩端電壓為+5V時，充電結(jié)束，充電電流為0. 1腳電壓為0，單片機退出復(fù)位狀態(tài)，進入正常工作.按鈕 開 關(guān) K:是手動復(fù)位鍵，當按下K1時，1腳為高電平，單片機進入復(fù)位狀態(tài)，

21、當放下K1時，1腳又為低電平，單片機退出復(fù)位.</p><p>　　AT 89 C2 051內(nèi)部有振蕩電路，但需要在外部的4腳與5腳之間接一個晶體在本儀器中采用6M H:的晶體，C:和C:為微調(diào)電容.</p><p>　　AT 89 C2 051內(nèi)部有2個可編程控制的16位定時/計數(shù)器，它們可以計時又可以計數(shù).在本儀器中是用來計時.</p><p>　　定時/計數(shù)器

22、的核心是一個加法計數(shù)器，其輸入的計數(shù)脈沖有兩個來源，一個是來自內(nèi)部，即內(nèi)部振蕩器經(jīng)12分頻后輸入加1計數(shù)器，另外一個是來自外部脈沖.定時/計數(shù)器對兩個脈沖源中的一個進行計數(shù)，每輸入一個脈沖，計數(shù)值加1，當計數(shù)器16位全部為1時，再輸入一個脈沖，計數(shù)器回零，并使溢出位TFo置1，向CPU申請中斷.定時 / 計 數(shù)器是定時還是計數(shù)，由C/了位來決定.當C/T=0，為定時.當C/T二1為計數(shù)，在本儀器中是采用定時(計時)，所Lj C/T=4.

23、</p><p>　　當定 時 /計數(shù)器用于定時(計時)時，每經(jīng)過一個機器周期，定時/計數(shù)器內(nèi)部的計數(shù)器加1，直到溢出.由此，定時/計數(shù)器實際上是對機器周期進行計數(shù)，由于一個機器周期包含12個振蕩周期，所以定時/計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12.在本 儀 器 中，晶體為12M Hz，一個機器周期為2us，也就是說定時/計數(shù)器每增加一個數(shù)，即增加2us.GA TE 為 門控信號，C為定時/計數(shù)器的控制信號.

24、當C=1時，定時/計數(shù)器的內(nèi)部加1，計數(shù)器可以計數(shù)，當C=0時，則不能計數(shù).</p><p>　　3.4、PCB版圖設(shè)計</p><p><b>　　印刷電路板圖見圖6</b></p><p><b>　　圖6 PCB版圖</b></p><p><b>　　4、課程設(shè)計總結(jié)：</b

25、></p><p>　　通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，正所謂“紙上談兵終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W(xué)習(xí)任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中

26、發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計讓我學(xué)到了很多，不僅是鞏固了先前學(xué)的模電、數(shù)電的理論知識，而且也培養(yǎng)了我的動手能力，更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展，最重要的是對Protel99SE軟件和EWB軟件的使用有了更深入的了解。本數(shù)字電容器是由AT89C2051及555定時器兩個主要元器件設(shè)計的，AT89C2051是一個單片機，之前我們沒學(xué)過單片機后來，看了題目有點摸不透頭腦的感覺，后來通過上網(wǎng)、

27、查書才對它的功能有所了解問題才逐步得到解決。這種課程設(shè)計實驗不僅鍛煉我們動手動腦的能力，而且大大提高了我們對未知識探索的積極性，讓我們對獲取知識充滿了極大欲望。希望今后類似這</p><p><b>　　5、參考文獻</b></p><p>　?。?）童詩白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，2002</p><p>　?。?）張建華．數(shù)

28、字電子技術(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　?。?）陳汝全．電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊．北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　?。?）畢滿清．電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計．北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　?。?）潘永雄．電子線路CAD實用教程．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002</p><p>