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基于555定时器的电容测量仪设计.docx

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.47M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    第一章 摘要
    第二章 题目分析和总体设计方案
    第三章 硬件电路设计
    第四章 调试与参数确定
    4.1 调试阶段
    误差分析：
    在板子实际调试过程中存在很多的误差，比如实际电容、电阻值的不精确；555定时器发出脉冲频率的有一定的
    调试方案：
    由于各种不稳定因素的存在，为了最大化的降低这些误差带来的影响，提高测量的精度，我们决定采用多
    采用分段拟合的方法提高拟合函数的准确性。
    档位主要参数：
    档 位
    量 程
    频率/Hz
    测量函数系数
    1
    100pF
    C=1.178*10^6*X^(-1.17)-30.34
    2
    5nF
    f>7217
    C=2.144*10^6*X^(-1.089)-38.53
    7217>=f>3808
    C=8.715*10^5*X^(-0.9792)-48.63
    3808>=f>1616.5
    C=4.467*10^4*X^(-0.5049)-498.5
    1616.5>=f>197
    C=4.377*10^4*X^(-0.3947)-1893
    197>=f
    C=3.298*10^5*X^(-0.8178)-191
    3
    200nF
    f>40800
    C=2.92*10^7*X^(-0.825)-329.5
    40800>=f>21406
    C=2.127*10^8*X^(-0.9991)-533.3
    21506>=f>15266
    C=3.6*10^6*X^(-0.5126)-12210
    15266>=f>3900
    C=7.08*10^9*X^(-1.433)+7300
    3900>=f>2400
    C=1.852*10^6*X^(-0.2641)-148900
    2400>=f>1939
    C=6.162*10^18*X^(-4.372)+78280
    1939>=f
    C=1.225*10^9*X^(-1.258)+17010
    4
    2uF
    f>315000
    C=1.933*10^5*X^(-0.02981)-127800
    315000>=f>61800
    C=3.372*10^8*X^(-0.8242)-6446
    61800>=f>22100
    C=-2.139*X^(0.993)+135300
    22100>=f>8427
    C=-2.393*10^3*X^(0.614)+915800
    8427>=f>5305
    C=9.418*10^6*X^(-0.1954)-1307000
    5305>=f>2193
    C=8.613*10^8*X^(-0.8635)-60830
    2193>=f
    C=2*10^8*X^(-0.6149)-710300
    5
    50uF
    f>6850
    C=4.021*10^8*X^(-0.7481)-99650
    6850>=f
    C=6.016*10^9*X^(-1.133)+305200
    6
    600uF
    f>4000
    C=1.778*10^8*X^(-0.6444)-136900
    4000>=f>65
    C=3.534*10^9*X^(-1.038)+198300
    65>=f
    C=2.922*10^9*X^(-0.9836)-3744000
    第五章 总结与展望
    致 谢
    参考文献
    附录：部分程序代码
    全国大学生电子设计竞赛中南大学 校内选拔赛 设 计 报 告 题 目： 电容测量仪设计 队伍名称： 中南巡洋舰 参赛队员： 郑智勇 宋祖领 王腾科 2015 年 3 月 26 日
    任务要求： 设计并制作一台能够实现电容器电容值测量的自动测试系统.要求电容测试 范围为:33pF-10uF,测量误差 %10 . 1.基本要求 (1)系统采用+10V 单电源供电; (2)电容测试范围为:33pF-10uF,测量误差 %10 (3)测试结果能够在单片机系统上以数字方式直接显示; ; 2.提高要求 (1)扩大电容测试范围至 470uF,在单片机键盘上一键式切换量程,重测电容, 测量误差 %10 (2)在完成提高要求(1)的基础上,自动切换量程,重测电容,测量误差 %10 (3)提高测量精度,测量误差 %10 ; . ;
    目 录 第一章 摘要................................................................................................................. 2 第二章 题目分析和总体设计方案............................................................................. 3 2.1 题目分析....................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 总体设计方案............................................................... 错误！未定义书签。 第三章 硬件电路设计................................................................................................. 8 3.1 稳压模块...................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.1 5V 稳压电路...................................................... 错误！未定义书签。 3.1.2 3.3V 稳压电路.................................................. 错误！未定义书签。 3.1.3 10V 供电升压模块............................................ 错误！未定义书签。 3.2 MCU 最小系统模块....................................................... 错误！未定义书签。 3.3 NE555 多谐振电路....................................................... 错误！未定义书签。 3.4 按键、蜂鸣器、LED、OLED 液晶屏电路.................... 错误！未定义书签。 3.5 PCB 设计....................................................................... 错误！未定义书签。 3.5.1 主板设计............................................................ 错误！未定义书签。 第四章 调试与参数确定............................................................................................. 8 4.1 调试阶段...................................................................... 错误！未定义书签。 4.1.1 误差分析........................................................... 错误！未定义书签。 4.1.2 调试方案........................................................... 错误！未定义书签。 4.1.3 调试过程........................................................... 错误！未定义书签。 4.2 档位主要参数.............................................................. 错误！未定义书签。 第五章 总结与展望................................................................... 错误！未定义书签。 谢 辞......................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献....................................................................................................................... 1 程序附录....................................................................................................................... 1
    第一章 摘要 基于 555 定时器的电容测量电路以 555 定时器为核心器件可将其分解为四个 部分，分别为多谐振荡电路、单片机输入捕捉模块、有源滤波电路、电源稳压电 路。该电路是通过测量 555 输出脉冲频率来测量电容量的。 电容测量电路的输出脉冲作为单片机测频模块的输入信号，得出脉冲的频率 后在 f=1/[（R1+2*R2）*C*ln2]的基础上经过补偿修正后得出电容的值，再由单 片机驱动 OLED 液晶显示器，显示出被测电容的容量值。 电路有如下特点： （1） 555 多谐振荡器的输出脉冲频率有一定的上限，大概为 500KHz.为保证输 出脉冲频率在有效范围，测小电容时选档电阻大。 （2） 多谐振荡器的输出脉冲具有一定范围的波动，用 MK60FX512VLQ15 进行输 入捕捉时，采用定时计数法测量脉冲的频率比单片机自带的单宽计数法更 可靠。 （3） 此设计的核心是误差的分析和误差的矫正。 重点：Multisim 软件仿真、硬件仿真、MK60FX512VLQ15 单片机输入捕捉模块、 档位参数的调试。
    第二章 题目分析和总体设计方案 2.1 题目分析 题目要求设计一台能够实现电容器电容值测量的自动测试系统。要求电容测 试范围为:33pF-10uF，拓展为 470uF,测量误差 %10 而且测试结果能够在单片机系统上以数字方式直接显示;可见这个电容测试要求 ，系统采用+10V 单电源供电， 的测量范围比较大，小到 PF 级，大到几百 UF 都要能测量，而且系统要采用 10V 以上供电，而 555 芯片需要 5V 供电，单片机需要 3.3V 供电，所以这就要求测量 仪有比较好的稳压系统，当然，一个好的测量仪设计要求要有比较好的人性化设 计，这也是我们需要考虑的。 2.2 总体设计方案 确定题目后，我们开始了最初的设计，并进行了大量的软件仿真和硬件仿真， 在认真分析了各种方案的大量试验数据后，最终确定了基于 555 定时器的电容测 量方案。其基本设计思想是：利用电容、电阻和施密特触发器构成一个多谐振荡 器，在电源刚接通时，电容 C 上的电压为 0，多谐振荡器输出 Vo 为高电平，Vo 通过 R 对电容 C 充电。当 C 上充得的电压 Vc=Vt+时，施密特触发器翻转，Vo 变 成低电平，Vc 又通过 R 放电，Vc 下降，当 Vc=Vt-时施密特触发器又翻转，输出 Vo 又变成高电平。如此往复振荡产生一系列频率的脉冲，送入单片机进行频率 测量，并经过单片机计算得出电容的容量。 由于各种不稳定因素的存在，我们采用了多档测量和系数补偿相结合的方法， 最大化的降低这些不稳定因素带来的影响，提高了测量的精度，使测量值最大程 度的接近和等于电容实际值。 整个系统共有两个模式，分为人工一键换档模式和系统自识别自动换档模式。 为了实现一键换挡，我们采用了电磁继电器作为可控开关，通过按键人工换档。 当选择自动换挡模式时，接入待测电容后，系统会自动在当前所在档位计算出待 测电容的大概值，并自动切换到该电容值最合适的档位，然后自动在当前档位进 行第二次计算比较后确认最适合的档位，从而实现自动换档。 系统结构图： 脉冲输入 驱动 555 多谐振荡电路 aa 单片机（计算）OLED 液晶显示 电源管理模块 电容测量电路的输出脉冲作为单片机测频模块的输入信号，得出脉冲的频率 后基于 f=1/[（R1+2*R2）*C*ln2]和一定的误差补偿计算出电容的值，再由单片 机驱动 OLED 液晶显示器，显示出被测电容的容量值。 第三章 硬件电路设计
    3.1 稳压模块 电源模块对于整个电路系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作， 因此在设计控制系统时应选好合适的电源模块。竞赛规则规定，系统必须采用+10V 单电源供电，由于在市面上没有找到+10V 的电源，我们决定用低电压电源升压 至到+10V 作为供电电源。系统需要 5V 和 3.3V 的供电电压。LM2940 稳压芯片具 有纹波小且电路简单的特点，电压波动范围在 4.98V-5.02V 之间，作为 5V 稳压芯片 较为合适。最小系统版需要稳定的 3.3V 供电才能正常工作，可以直接从电池供电稳 压到 3.3V，也可以从稳定的 5V 供电稳压到 3.3V。前一种方案转换效率较低，稳压 芯片发热较大，所以我们采用第二种方案，并采用稳压效果稳定，纹波小的 LM1117 作为 3.3V 的稳压芯片，效果很好。 5V 稳压电路： 3.3V 稳压电路： 10V 供电升压模块： 由竞赛规则，系统必须采用+10V 单电源供电，由于在市面上没有找到+10V 的电源，我们决定用低电压 7.2V 电源升压至到 12V 再分压到+10V 作为供电电源。
    3.2 MCU 最小系统模块 由于时间紧张，我们决定采用比较熟悉的 Freescale 半导体公司生产的 32 位 Kinetis60 MCU 作为核心控制单元，它功能强大，I/O 引,,脚多，可以很方便的捕捉输 入的脉冲信号和控制 OLED 液晶屏、检测按键。
    3.3 NE555 多谐振电路 我们采用NE55构成多谐振荡电路。采用电磁继电计作为开关控制选档，从 而实现一键换挡功能。 3.4 按键、蜂鸣器、LED、OLED 液晶屏电路 为了提高产品的人机交互性能，我们在电路设计上增加了蜂鸣器，OLED 液
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