應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)字電容表課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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

2、　　3.1設(shè)計(jì)思路……………………………………………………………2</p><p>　　一：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(jì)……………………………………………………… 8</p><p>　　4、課程設(shè)計(jì)總結(jié)…………………………………………………………8</p><p>　　5、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………10</p><p><b

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

5、;/p><p>　　2、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：（1）學(xué)習(xí)掌握AT89C2051及555定時(shí)器的工作原理及應(yīng)用；</p><p>　?。?）熟練掌握應(yīng)用Protel99設(shè)計(jì)原理圖及制作PCB圖的過(guò)程；</p><p>　　（3）整理設(shè)計(jì)內(nèi)容，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 </p><p><b>　　3、 設(shè)計(jì)方案：</b&

6、gt;</p><p><b>　　3.1、設(shè)計(jì)思路</b></p><p><b>　　一：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理</b></p><p>　　用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，由于使用軟硬件結(jié)合的方式，所以電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試也相對(duì)方便。該系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)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(jī)，片內(nèi)含2 KB可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(EPROM)和128 B的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。器件采用AtmeI公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元。AT89C2051作為AT89C51的簡(jiǎn)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(gè)電壓比較器，因此其功能在某些方面反而有所增

8、強(qiáng)。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(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過(guò)時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管截止。</p><p>　　是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開(kāi)路或接。</p><p>　

10、　Vco是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01的電容器到地，起濾波作用，以消除外來(lái)的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。</p><p>　　T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，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(cè)量依據(jù)，測(cè)試原理見(jiàn)圖3。電源電壓E+經(jīng)電阻R給被測(cè)電容CX充電，CX兩端原電壓隨充電時(shí)間的增加而上升。當(dāng)充電時(shí)間t等于RC時(shí)間常數(shù)τ時(shí)，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(cè)試基準(zhǔn)電壓，測(cè)量電容器充電達(dá)到該電壓的時(shí)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(shí)間為1 ms，那么由公式τ=RC可知CX的容量為1微法。具體測(cè)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(gè)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(duì)應(yīng)的寄存器。電壓比較器的基準(zhǔn)電壓設(shè)定為0．632E+，在CX兩端電壓從0升到0．632E+的過(guò)程中，P3．6口輸出為0，當(dāng)電池電壓CX兩端電壓一旦超過(guò)0．632E+時(shí)，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(shí)器T0對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，再將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)即得出測(cè)量結(jié)果。  </p><p>　　3.3、硬件

14、電路原理圖</p><p>　　整機(jī)電路見(jiàn)圖5。電路由單片機(jī)電路、電容充電測(cè)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(dāng)在它的第2腳加上一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，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(shí)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(dāng)td和電阻已知時(shí)，就可以用

15、(1)式計(jì)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(cè)量出555電容的容量.可見(jiàn)，對(duì)電容的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)555輸出高電平的時(shí)間，然后利用(2)式就可以計(jì)算出待測(cè)輸出高電平的時(shí)間的測(cè)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(cè)量電路，其中R2-R5為</p><p>　　量程電阻，由波段開(kāi)關(guān)S1選擇使用，電壓比較器的基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓。當(dāng)P1.2口在程序的控制下輸出</p

17、><p>　　高電平時(shí)，電容CX即開(kāi)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(jī)內(nèi)部P1.2口的上拉電阻經(jīng)實(shí)測(cè)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(gè)充電電阻和R5</p><p>　　是串聯(lián)關(guān)系，因此R2，R3，R4應(yīng)由標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(jī)采用動(dòng)態(tài)掃描顯</p><p>　　示的方式，用軟件對(duì)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(gè)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描位驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)數(shù)碼管的各字段，當(dāng)P3的某一端口

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

21、當(dāng)放下K1時(shí)，1腳又為低電平，單片機(jī)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(gè)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(gè)可編程控制的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它們可以計(jì)時(shí)又可以計(jì)數(shù).在本儀器中是用來(lái)計(jì)時(shí).</p><p>　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器

22、的核心是一個(gè)加法計(jì)數(shù)器，其輸入的計(jì)數(shù)脈沖有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是來(lái)自內(nèi)部，即內(nèi)部振蕩器經(jīng)12分頻后輸入加1計(jì)數(shù)器，另外一個(gè)是來(lái)自外部脈沖.定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)兩個(gè)脈沖源中的一個(gè)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)值加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器16位全部為1時(shí)，再輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器回零，并使溢出位TFo置1，向CPU申請(qǐng)中斷.定時(shí) / 計(jì) 數(shù)器是定時(shí)還是計(jì)數(shù)，由C/了位來(lái)決定.當(dāng)C/T=0，為定時(shí).當(dāng)C/T二1為計(jì)數(shù)，在本儀器中是采用定時(shí)(計(jì)時(shí))，所Lj C/T=4.

23、</p><p>　　當(dāng)定 時(shí) /計(jì)數(shù)器用于定時(shí)(計(jì)時(shí))時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)/計(jì)數(shù)器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器加1，直到溢出.由此，定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)際上是對(duì)機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于一個(gè)機(jī)器周期包含12個(gè)振蕩周期，所以定時(shí)/計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12.在本 儀 器 中，晶體為12M Hz，一個(gè)機(jī)器周期為2us，也就是說(shuō)定時(shí)/計(jì)數(shù)器每增加一個(gè)數(shù)，即增加2us.GA TE 為 門(mén)控信號(hào)，C為定時(shí)/計(jì)數(shù)器的控制信號(hào).

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

25、></p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，正所謂“紙上談兵終覺(jué)淺，覺(jué)知此事要躬行。”學(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中

26、發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計(jì)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(shí)，而且也培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力，更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展，最重要的是對(duì)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(shí)器兩個(gè)主要元器件設(shè)計(jì)的，AT89C2051是一個(gè)單片機(jī)，之前我們沒(méi)學(xué)過(guò)單片機(jī)后來(lái)，看了題目有點(diǎn)摸不透頭腦的感覺(jué)，后來(lái)通過(guò)上網(wǎng)、

27、查書(shū)才對(duì)它的功能有所了解問(wèn)題才逐步得到解決。這種課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不僅鍛煉我們動(dòng)手動(dòng)腦的能力，而且大大提高了我們對(duì)未知識(shí)探索的積極性，讓我們對(duì)獲取知識(shí)充滿了極大欲望。希望今后類(lèi)似這</p><p><b>　　5、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　（1）童詩(shī)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．?dāng)?shù)

28、字電子技術(shù)．北京：機(jī)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(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p>　?。?）畢滿清．電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p>　?。?）潘永雄．電子線路CAD實(shí)用教程．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002</p><p>