51单片机测TDS电导率原理图+源程序+详解

ID:582255 · 发表于 2020-4-16 21:23

大家都知道，51 单片机的外部中断，可以设定为下降沿触发。

当第一次下降沿来临时，在中断程序中，启动定时器的计时；在第二次下降沿来临时，再停止定时器。
这样一来，计时器所统计的数值，就代表了脉冲的周期。

定时器在计时方式下，是针对机器周期计数，在晶振为 12MHz 时，计时的结果将在 0~65536us 范围内。
以 ms 为单位，就是：00.000 ~ 65.535，也就是：00.000 ~ 65.535 uF。

直接用显示器把这个数字显示出来，这就是测量电容的结果。

如果电容器的容量，超出了这范围，可以显示超量程的信息，提示使用者换用不同的档位，就是换用不同的电阻。

使用单片机测量电容的仿真电路如下：

图片连接：

超量程的提示显示如下：

单片机的程序如下：

#include "reg51.h"
#include "intrins.h"
#define LCD_IO P0
sbit RS = P2^0; //1602写地址
sbit RW = P2^1; //1602写数据
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; //开始测量的按键
unsigned char a[16] = "Measure Capac...";
//Measure Capacitance
unsigned char b[16] = " C: 00.000 uF ";
unsigned int Cap;
bit Flg;
//*************延时1ms*******************
void Delay1ms(unsigned int mm)
{
unsigned int i;
for(; mm > 0; mm--) for(i = 100; i > 0; i--);
}
//*************LCD 延时******************
void LCD_delay(void)
{
char i;
for (i = 10; i > 0; i--);
}
//*************检查忙否******************
void Checkstates()
{
RS = 0; RW = 1;
while(LCD_IO & 0x80) {
EN = 0; LCD_delay();
EN = 1; LCD_delay();
};
EN = 0;
}
//*************向写LCD命令***************
void wcomd(unsigned char cmd)
{
Checkstates();
RS = 0; RW = 0;
LCD_IO = cmd; LCD_delay();
EN = 1; LCD_delay(); EN = 0;
}
//*************向写LCD数据***************
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);//功能设置
wcomd(0x01); Delay1ms(1); //清屏
wcomd(0x08); Delay1ms(1); //关显示
wcomd(0x0c); Delay1ms(1); //开显示，不开光标
}
//*************LCD显示*******************
void Display(void) //显示
{
unsigned char i;
wcomd(0x80); Delay1ms(5); //显示第一行
for(i = 0; i < 16; i++) wdata(a[i]);
wcomd(0xc0); Delay1ms(5); //显示第二行
for(i = 0; i < 16; i++) wdata(b[i]);
}
//-------------------------------------------------
void main()
{
while(1) {
while(!K_STA) { //当测量键被按下
RST_5 = 1; //启动555
Flg = 0;
Delay1ms(100); //稍稍延时, 让555稳定工作
EA = 1; //开总中断
while (EA == 1);//等待测量完毕, 下面进行数据处理
//因为硬件设计合理, 所以数据很简单, 无需复杂处理, 分离出过大过小的即可
if(Cap < 1000) { //计数值小于100, 显示small, 提示换量程
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, 显示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(); //显示
while(!K_STA); //等待按键释放
} }
}
//-------------------------------------------------
void X0_INT(void) interrupt 0 //控制计时的启动、停止
{
Flg = ~Flg;
if(Flg) TR0 = 1; //开始计时
else {
TR0 = 0; //停止计时
EA = 0; //关闭中断
RST_5 = 0; //关闭555
Cap = TH0 * 256 + TL0; //取出机器周期数
TH0 = 0x00; //恢复T0初值
TL0 = 0x00;
}
}
//-------------------------------------------------
void T0_INT(void) interrupt 1 //测量超时
{
EA = 0; //关闭中断
RST_5 = 0; //关闭555
TR0 = 0; //停止定时
TH0 = 0x00; //恢复T0初值
TL0 = 0x00;
Cap = 65535; //超出值
Flg = 0;
}

复制代码

系统主要采用了555定时器构成的RC振荡电路和单片机技术。设计思路：被测电容C通过RC振荡转换成频率信号f，送入单片机测频，对该频率进行运算处理求出被测电容的值，并送显示器显示。系统框图如图1所示，其主要由测量电路和控制电路两部分组成。当接入被测电容后，由555定时器构成RC振荡器产生方波信号，把此信号通过接口传到AT89C51单片机I/O口上，对此方波信号进行测频，通过软件编程，计算出得到被测电容值，由LCD1602液晶显示。

图1 系统框图

3 硬件设计

3.1 555振荡电路的设计

由555芯片构成的多谐振荡电路如图2，CX为被测电容，接通电源后，CX被充电，A点电压UA上升。当UA上升到时，触发器被复位，同时555芯片内部放电三极管导通，此时U0为低电平。CX通过R2和放电三极管放电，使UA下降。当UA下降到时，触发器又被置位，U0翻转为高电平［3］。CX放电所需的时间为：

图2 555构成的RC振荡电路

由上式可知，当电路设计完成后，振荡器输出f随CX的变化而改变。改变R1、R2的值即可改变系统量程。系统量程分为四档：（1）R1+2R2=470KΩ时，测1.0nF-10.0nF的电容值。（2）R1+2R2=47KΩ时，测10.0nF~100.0nF的电容（3）R1+2R2=4.7KΩ时，测100.0nF~1000.0nF的电容。（4）R1+2R2=470Ω时，测1.0μF~10.0μF的电容。图3为R1+2R2=470KΩ时，测量电容为2μF振荡输出输出波形。

图3 振荡电路输出的频率信号

3.2 信号处理及显示电路

信号处理电路部分采用单片机AT89S51作为系统的主控制器。AT89S51单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、外加电源及单片机构成［4］，其硬件电路如图4所示。555振荡电路输出的是脉冲波，接到AT89S51处理器的输入引脚P3.5，通过AT89S51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，构成一个数字式频率测量系统，测出频率后按（5）式运算处理后得到被测电容值。

图4 单片机控制显示模块

显示模块LCD1602液晶第1、2脚接驱动电源;第三脚VL为液晶的对比度调节，通过在VCC和GND之间接一个10K多圈可调电阻，中间抽头接VL，可实现液晶对比度的调节;液晶的控制线RS、R/W、E分别接单片机的P2.5、P2.6、P2.7;D0~D7为LCD1602液晶模块的8位双向数据口，分别与STC89C52RC单片机的P1.0~P1.7相连，用于传输数据。接在单片机的P0口;BL+、BL-为液晶背光电源［5］［6］。

4 系统软件设计

图5 主程序流程图

系统软件环境以Keil4.0为仿真平台，使用C语言编程编写了运行程序;包括主程序模块、显示模块和电容测试模块。软件设计主要包括三个方面：一是初始化系统;二是按键检测;三是数据采集、数据处理并进行显示。程序采用模块化的结构，这样便于调试和修改，易编程和易读性好，也程序结构清楚［7］。系统程序流程如图6所示，首先对P3.5口脉冲信号频率的测量，再通过（5）式算出所测的电容值，由LCD1602显示出来。

5 系统的测试

表1 电容测试数据

6 结束语

设计的电容测试仪硬件采用555定时器作为信号采集模块、AT89S51单片机作为信号处理器模块，软件采用Keil4.0为仿真平台，使用C语言编程编写了运行程序。其具有性能稳定、精度高、操作简单、功耗低等优点。经测试表明：其可以测试1.0nF-10.0uF范围的电容，误差小于0.5%。误差产生主要原因与电路元件参数、测试环境、测试方法等因素有关。