51單片機(jī)測(cè)TDS電導(dǎo)率原理圖+源程序+詳解

ID:582255 · 發(fā)表于 2020-4-16 21:23

大家都知道，51 單片機(jī)的外部中斷，可以設(shè)定為下降沿觸發(fā)。

當(dāng)?shù)谝淮蜗陆笛貋?lái)臨時(shí)，在中斷程序中，啟動(dòng)定時(shí)器的計(jì)時(shí)；在第二次下降沿來(lái)臨時(shí)，再停止定時(shí)器。
這樣一來(lái)，計(jì)時(shí)器所統(tǒng)計(jì)的數(shù)值，就代表了脈沖的周期。

定時(shí)器在計(jì)時(shí)方式下，是針對(duì)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，在晶振為 12MHz 時(shí)，計(jì)時(shí)的結(jié)果將在 0~65536us 范圍內(nèi)。
以 ms 為單位，就是：00.000 ~ 65.535，也就是：00.000 ~ 65.535 uF。

直接用顯示器把這個(gè)數(shù)字顯示出來(lái)，這就是測(cè)量電容的結(jié)果。

如果電容器的容量，超出了這范圍，可以顯示超量程的信息，提示使用者換用不同的檔位，就是換用不同的電阻。

使用單片機(jī)測(cè)量電容的仿真電路如下：

圖片連接：

超量程的提示顯示如下：

單片機(jī)的程序如下：

#include "reg51.h"
#include "intrins.h"
#define LCD_IO P0
sbit RS = P2^0; //1602寫地址
sbit RW = P2^1; //1602寫數(shù)據(jù)
sbit EN = P2^2; //1602工作使能
sbit RST_5 = P3^0; //555芯片工作控制
sbit K_STA = P3^1; //開始測(cè)量的按鍵
unsigned char a[16] = "Measure Capac...";
//Measure Capacitance
unsigned char b[16] = " C: 00.000 uF ";
unsigned int Cap;
bit Flg;
//*************延時(shí)1ms*******************
void Delay1ms(unsigned int mm)
{
unsigned int i;
for(; mm > 0; mm--) for(i = 100; i > 0; i--);
}
//*************LCD 延時(shí)******************
void LCD_delay(void)
{
char i;
for (i = 10; i > 0; i--);
}
//*************檢查忙否******************
void Checkstates()
{
RS = 0; RW = 1;
while(LCD_IO & 0x80) {
EN = 0; LCD_delay();
EN = 1; LCD_delay();
};
EN = 0;
}
//*************向?qū)慙CD命令***************
void wcomd(unsigned char cmd)
{
Checkstates();
RS = 0; RW = 0;
LCD_IO = cmd; LCD_delay();
EN = 1; LCD_delay(); EN = 0;
}
//*************向?qū)慙CD數(shù)據(jù)***************
void wdata(unsigned char dat)
{
Checkstates();
RS = 1; RW = 0;
LCD_IO = dat; LCD_delay();
EN = 1; LCD_delay(); EN = 0;
}
//*************初始化LCD*****************
void LCD_INIT()
{
Delay1ms(5);
wcomd(0x38); Delay1ms(10);//功能設(shè)置
wcomd(0x01); Delay1ms(1); //清屏
wcomd(0x08); Delay1ms(1); //關(guān)顯示
wcomd(0x0c); Delay1ms(1); //開顯示，不開光標(biāo)
}
//*************LCD顯示*******************
void Display(void) //顯示
{
unsigned char i;
wcomd(0x80); Delay1ms(5); //顯示第一行
for(i = 0; i < 16; i++) wdata(a[i]);
wcomd(0xc0); Delay1ms(5); //顯示第二行
for(i = 0; i < 16; i++) wdata(b[i]);
}
//-------------------------------------------------
void main()
{
while(1) {
while(!K_STA) { //當(dāng)測(cè)量鍵被按下
RST_5 = 1; //啟動(dòng)555
Flg = 0;
Delay1ms(100); //稍稍延時(shí), 讓555穩(wěn)定工作
EA = 1; //開總中斷
while (EA == 1);//等待測(cè)量完畢, 下面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理
//因?yàn)橛布O(shè)計(jì)合理, 所以數(shù)據(jù)很簡(jiǎn)單, 無(wú)需復(fù)雜處理, 分離出過(guò)大過(guò)小的即可
if(Cap < 1000) { //計(jì)數(shù)值小于100, 顯示small, 提示換量程
b[4] = 't'; b[5] = 'o'; b[6] = 'o'; b[7] = ' '; b[8] = 's'; b[9] = 'm';
b[10] = 'a';b[11] = 'l';b[12] = 'l';b[13] = '.';b[14] = ' ';b[15] = ' ';
}
else if(Cap > 60000) { //大于60000, 顯示large, 提示量程
b[4] = 't'; b[5] = 'o'; b[6] = 'o'; b[7] = ' '; b[8] = 'l'; b[9] = 'a';
b[10] = 'r';b[11] = 'g';b[12] = 'e';b[13] = '.';b[14] = ' ';b[15] = ' ';
}
else {
b[4] = '0' + Cap / 10000 % 10;
b[5] = '0' + Cap / 1000 % 10;
b[6] = '.';
b[7] = '0' + Cap / 100 % 10;
b[8] = '0' + Cap / 10 % 10;
b[9] = '0' + Cap % 10;
b[10] = ' ';b[11] = 'u';b[12] = 'F';b[13] = ' ';b[14] = ' ';b[15] = ' ';
}
Display(); //顯示
while(!K_STA); //等待按鍵釋放
} }
}
//-------------------------------------------------
void X0_INT(void) interrupt 0 //控制計(jì)時(shí)的啟動(dòng)、停止
{
Flg = ~Flg;
if(Flg) TR0 = 1; //開始計(jì)時(shí)
else {
TR0 = 0; //停止計(jì)時(shí)
EA = 0; //關(guān)閉中斷
RST_5 = 0; //關(guān)閉555
Cap = TH0 * 256 + TL0; //取出機(jī)器周期數(shù)
TH0 = 0x00; //恢復(fù)T0初值
TL0 = 0x00;
}
}
//-------------------------------------------------
void T0_INT(void) interrupt 1 //測(cè)量超時(shí)
{
EA = 0; //關(guān)閉中斷
RST_5 = 0; //關(guān)閉555
TR0 = 0; //停止定時(shí)
TH0 = 0x00; //恢復(fù)T0初值
TL0 = 0x00;
Cap = 65535; //超出值
Flg = 0;
}

復(fù)制代碼

系統(tǒng)主要采用了555定時(shí)器構(gòu)成的RC振蕩電路和單片機(jī)技術(shù)。設(shè)計(jì)思路：被測(cè)電容C通過(guò)RC振蕩轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f，送入單片機(jī)測(cè)頻，對(duì)該頻率進(jìn)行運(yùn)算處理求出被測(cè)電容的值，并送顯示器顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要由測(cè)量電路和控制電路兩部分組成。當(dāng)接入被測(cè)電容后，由555定時(shí)器構(gòu)成RC振蕩器產(chǎn)生方波信號(hào)，把此信號(hào)通過(guò)接口傳到AT89C51單片機(jī)I/O口上，對(duì)此方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，通過(guò)軟件編程，計(jì)算出得到被測(cè)電容值，由LCD1602液晶顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 555振蕩電路的設(shè)計(jì)

由555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路如圖2，CX為被測(cè)電容，接通電源后，CX被充電，A點(diǎn)電壓UA上升。當(dāng)UA上升到時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)555芯片內(nèi)部放電三極管導(dǎo)通，此時(shí)U0為低電平。CX通過(guò)R2和放電三極管放電，使UA下降。當(dāng)UA下降到時(shí)，觸發(fā)器又被置位，U0翻轉(zhuǎn)為高電平［3］。CX放電所需的時(shí)間為：

圖2 555構(gòu)成的RC振蕩電路

由上式可知，當(dāng)電路設(shè)計(jì)完成后，振蕩器輸出f隨CX的變化而改變。改變R1、R2的值即可改變系統(tǒng)量程。系統(tǒng)量程分為四檔：（1）R1+2R2=470KΩ時(shí)，測(cè)1.0nF-10.0nF的電容值。（2）R1+2R2=47KΩ時(shí)，測(cè)10.0nF~100.0nF的電容（3）R1+2R2=4.7KΩ時(shí)，測(cè)100.0nF~1000.0nF的電容。（4）R1+2R2=470Ω時(shí)，測(cè)1.0μF~10.0μF的電容。圖3為R1+2R2=470KΩ時(shí)，測(cè)量電容為2μF振蕩輸出輸出波形。

圖3 振蕩電路輸出的頻率信號(hào)

3.2 信號(hào)處理及顯示電路

信號(hào)處理電路部分采用單片機(jī)AT89S51作為系統(tǒng)的主控制器。AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外加電源及單片機(jī)構(gòu)成［4］，其硬件電路如圖4所示。555振蕩電路輸出的是脈沖波，接到AT89S51處理器的輸入引腳P3.5，通過(guò)AT89S51內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器T0、T1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，構(gòu)成一個(gè)數(shù)字式頻率測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)出頻率后按（5）式運(yùn)算處理后得到被測(cè)電容值。

圖4 單片機(jī)控制顯示模塊

顯示模塊LCD1602液晶第1、2腳接驅(qū)動(dòng)電源;第三腳VL為液晶的對(duì)比度調(diào)節(jié)，通過(guò)在VCC和GND之間接一個(gè)10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié);液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7;D0~D7為L(zhǎng)CD1602液晶模塊的8位雙向數(shù)據(jù)口，分別與STC89C52RC單片機(jī)的P1.0~P1.7相連，用于傳輸數(shù)據(jù)。接在單片機(jī)的P0口;BL+、BL-為液晶背光電源［5］［6］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)軟件環(huán)境以Keil4.0為仿真平臺(tái)，使用C語(yǔ)言編程編寫了運(yùn)行程序;包括主程序模塊、顯示模塊和電容測(cè)試模塊。軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：一是初始化系統(tǒng);二是按鍵檢測(cè);三是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行顯示。程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，這樣便于調(diào)試和修改，易編程和易讀性好，也程序結(jié)構(gòu)清楚［7］。系統(tǒng)程序流程如圖6所示，首先對(duì)P3.5口脈沖信號(hào)頻率的測(cè)量，再通過(guò)（5）式算出所測(cè)的電容值，由LCD1602顯示出來(lái)。

5 系統(tǒng)的測(cè)試

表1 電容測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的電容測(cè)試儀硬件采用555定時(shí)器作為信號(hào)采集模塊、AT89S51單片機(jī)作為信號(hào)處理器模塊，軟件采用Keil4.0為仿真平臺(tái)，使用C語(yǔ)言編程編寫了運(yùn)行程序。其具有性能穩(wěn)定、精度高、操作簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試表明：其可以測(cè)試1.0nF-10.0uF范圍的電容，誤差小于0.5%。誤差產(chǎn)生主要原因與電路元件參數(shù)、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方法等因素有關(guān)。