综合课程设计-基于单片机电容测量硬件设计.doc

一、概述 方案论证 图1 电容测量系统原理框图 本次设计中考虑选择了基于AT89C51单片机和555芯片构成的多谐振荡电路的测量的方案。要求测量误差在5%以内，在选择器件时，应考虑成本，有手动复位（清零）功能，完成相应程序的设计，实现相应功能。 三、电路设计 图2 系统框图 图中给出了整个系统设计的系统框图，系统主要由四个主要部分组成，单片机和晶振电路设计，555芯片电路设计，显示电路设计，复位电路设计。而555芯片产生震荡波形如图3所示。 图3 555震荡波形图 1.2 硬件设计的任务 AT89C51基本工作电路设计：使单片机正常工作； 时钟电路：为单片机提供时钟信号； 复位电路：为单片机提供高电平复位信号； 555芯片电路：把电容的大小转变成输出频率的大小； 显示电路：显示当前测量电容的大小； 按键电路：开始测量电容； 1.2.1 AT89C51单片机工作电路 本设计的核心是单片机电路，考虑到需要一个中断输入，存储容量、外部接口对单片机端口的需要以及兼顾到节约成本的原则，选用了常用的AT89C51单片机。AT89C51是低功耗、高性能、经济的8位CMOS微处理器，工作频率为0—24MHz，内置4K字节可编程只读闪存，128x8位的内部RAM，16位可编程I／O总线。它采用Atmel公司的非易储器制造技术，与MCS51的指令设置和芯片引脚可兼容。AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了。其最简单的工作原理图如图4所示。 图4 AT89C51单片机工作电路 1.2.2 基于AT89C51电容测量系统复位电路 MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。MCS-51单片机片内复位，复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，如图5所示。 图5 上电复位电路 上图兼有上电复位和按钮复位的电路。在单片机设计中，若有外部扩展的I/O接口电路需初始复位，如果它们的复位端和MCS-51单片机的复位端相连，复位电路中的R、C参数要受到影响，这时复位电路中的R、C参数要统一考虑以保证可靠的复位。如果单片机MCS-51单片机与外围I/O接口电路的复位电路和复位时间不完全一致，使单片机初始化程序不能正常运行，外围I/O接口电路的复位也可以不和MCS-51单片机复位端相连，仅采用独立的上电复位电路。一般来说，单片机的复位速度比外围I/O快些。若RC上电复位电路接MCS-51单片机和外围电路复位端，则能使系统可靠地同步复位。为保证系统可靠复位，在初始化程序中应用到一定的复位延迟时间。 复位电路软件程序跑飞或者硬件发生错误的时候产生一个复位信号，控制MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序，重新执行软件程序。此电路的输出端RESET接在单片机的复位引脚。 1.2.3 基于AT89C51电容测量系统时钟电路 时钟在单片机中非常重要，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。内部时钟方式：内部时钟方式电路图如图6所示。 图6 内部时钟电路 MCS-51单片机内部有一个用与构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器电路。 电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30PF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率的范围通常是在1.2MHz—12MHz之间。晶体的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。MCS-51单片机常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。 1.2.4 基于AT89C51电容测量系统555芯片电路 555芯片电路是一种将模拟功能