AT89C制作数字电容表论文文档格式.docx

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国内外同类设计（或同类研究）的概况综述

文献综述

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。

单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。

由于具有上述优点，单片机的使用领域已十分广泛，已经远远超出了计算机科学的领域，小到玩具，信用卡，大到航天器，机器人，从实现数据采集，过程控制，模糊控制等智能控制到揉的常生活，可以说，在人们的生活生产中都离不开单片机，又如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器，电子万年历，到计时器，定时器，计数器，频率计，电子秤，电子血压表等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，“电脑型”，如智能型洗衣机，电脑温控冰箱等[1]。

在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。

单片机的应用具有范围广的特点，对各个行业的技术改造和产品智能化的更新换代起着重要的推动作用[2]。

单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchid公司研制的F8单片微型计算机。

所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。

类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。

1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。

在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。

到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。

80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。

九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。

美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。

PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。

课题设计的内容

（1）根据以前所学知识，了解电容的基本原理及测试方法。

（2）选择一款51单片机。

（3）熟悉protel，自己能设计PCB电路。

（4）用此51单片机实际测电容电路。

（5）用此51单片机设计电容显示电路。

（6）用此51单片机设计一通信电路与PC机通信。

课题设计的指导思想

单片机的应用方面很广，这次我把单片机应用在简易数字电容表的设计，这次设计最重要的是如何选用一款合适的单片机，这主要是由于应用系统的性质、规模、投资大小等因素千差万别，单片机的种类又名目繁多，因此选用单片机很难有一个固定的规范。

要测量一个电容的容量，常用的是通过测量RC充放电回路的时间常数来测量电容量。

设计一个单片机数字电容表，测试原理见图1电源电压E+经电阻R给被测电容CX充电，CX两端原电压随充电时间的增加而上升。

当充电时间t等于RC时间常数τ时，CX两端电压约为电源电压的63．2％，测量电容器充电达到该电压的时间，便能知道电容器的容量。

为了判断电容C上的充电电压是否达到电源电压的63．2％，可以用电压比较器来检测，这样我们就必须选用一个有比较器的单片机。

测量结果采用4位数码管显示，采用动态扫描的显示方式，如果不用译码电路，采用数码管直接和单片机相连的方式，字段要占用7个I／O口，数码管位选要占4个I／O口，加上电压比较器的2个I／O口，因此所选用的单片机不能少于13个I／O口。

Atmel公司的单片机AT89C2051可以满足要求。

课题设计的方法

通过查阅和学习单片机方面的资料，熟悉单片机的结构及功能。

根据电容充放电的原理，设计测电容的方法。

结合单片机知识及功能选择一款合适的单片机，并设计出电路图。

根据电路图实测并显示电容，用汇编语言设计此单片机设计与PC机通信。

第1章概述

1.1单片机及其发展概况

随着电子技术的迅速发展，特别是随着大规模集成电路产生而出现的微型计算机，给人类生活带来了根本性的改变。

单片微型计算机简称单片机。

它是把组成微型计算机的各功能部件：

中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。

由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器（SingleChipMicrocontroller）。

目前国外已开始把它称作单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。

如果说微型计算机的出现使现代科学技术研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。

目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。

因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。

如单片机家族中的主流产品MCS—51系列，还有最近推出的PIC和凌阳系列都是比较优秀的单片机芯片，是构建我们不同的设计系统的最佳选择。

本章我们将对其简要介绍一下。

1.2单片机技术的发展方向

从半导体集成技术及微电子设计技术的发展，也可以预见到未来单片机技术的发展趋势。

1主流机型发展趋势

在未来较长一段时期内，8位单片机仍是主流机型，许多厂家还会不断改进与完善8位机，使8位机不断保持其活力；

在满足高速数字处理方面，32位机会发挥重要作用；

16位机空间有可能被8位机、32位机挤占。

2全盘CMOS化趋势

CMOS工艺很早就已出现，它具有十分优异的性能，只是运行速度慢，长期被冷落。

HCMOS工艺出现后，HCMOS器件得到了飞速的发展。

从第三代单片机起开始淘汰非CMOS工艺。

全盘CMOS化是指在HCMOS基础上的CMOS化。

如今，数字逻辑电路、外围器件都已普遍CMOS化。

单片机CMOS化给单片机技术发展带来广阔天地。

最显著的变革是低功耗管理技术的飞速发展。

3RISC体系结构的大发展

早期单片机大多是CISC结构体系，指令复杂，指令代码、周期数不统一；

指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。

例如，MCS－51系列单片机，时钟频率12MHz时，单周期指令运行速度仅1MIPS。

虽然单片机对运行速度要求远不如通用计算机系统或数字信号处理（DSP）对指令运行速度的要求，但速度的提高会带来许多好处，并拓宽单片机应用领域。

如果采用RISC体系结构，精简指令后绝大部分成为单周期指令，而且通过增加程序存储器的宽度（例如从8位增加到10位、12位、14位等），实现一个地址单元存放一条指令。

在这样的体系结构中，很容易实现并行流水线操作，其结果大大提高了指令运行速度。

目前在一些RISC结构的单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。

与MCS－51相比，在相同的12MHz外部时钟下，单周期指令运行速度可达12MIPS。

一方面可获得很高的指令运行速度，另方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。

4大力发展专用型单片机

专用单片机是专门针对某一类产品系统要求而设计的。

使用专用单片机可最大限度地简化系统结构，使资源利用效率最高。

在大批量使用时有可观的经济效益和可靠性效益。

专用单片机发展的基础是半导体集成工艺和微电子设计技术。

采用模块化标准单元的快速设计及快速半导体集成工艺，将加速专用单片机的发展。

5OTPROM、FlashROM成为主流供应状态

早期程序存储器的供应状态主要是OTPROM（掩膜）、EPROM和ROMLess（片内无ROM）三种型式。

掩膜ROM周期长、投资大，无法更改；

EPROM型的芯片成本高；

ROMLess型的系统电路结构复杂。

目前绝大多数单片机系列都可提供OTPROM型式，其价格逐渐逼近掩膜ROM。

OTPROM可由用户编程，软件升级、修改十分方便。

FlashROM则由于可多次编程，系统开发阶段使用十分方便，在小批量应用系统中广泛使用。

目前FlashROM的可靠性不及OTPROM，但随着FlashROM的改进，可靠性不断提高，会有很广泛的应用前景。

6ISP及基于ISP的开发环境

FlashROM的发展，推动了在系统可编程ISP（InSystemProgrammable）技术的发展。

在ISP技术基础上，首先实现了目标程序的串行下载，促使模拟仿真开发方式的重新兴起；

在单时钟、单指令运行的RISC结构单片机中，可实现PC机通过串行电缆对目标系统的仿真调试；

基于上述仿真技术，现已实现远程调试，以及对原有系统方便地更新软件、修改软件和对软件进行远程诊断。

7单片机中的软件嵌入

目前单片机只提供了程序空间，没有任何驻机软件。

目标系统中的所有软件都是系统开发人员开发的应用程序。

随着单片机程序空间的扩大，会有许多空余空间，在这些空间上可嵌入一些工具软件，这些软件可大大提高产品开发效率，提高单片机性能。

单片机中嵌入软件的类型主要有：

（1）实时多任务操作系统RTOS（RealTimeOperatingSystem）。

在RTOS支持下，可实现按任务分配的规范化应用程序设计。

（2）平台软件。

可将通用的子程序及函数库嵌入，以供应用程序调用。

（3）虚拟外设软件包。

用于构成软件模拟外围电路的软件包，可用来设定虚拟外围功能电路。

（4）其它用于系统诊断、管理的软件等。

8实现全面功耗管理

采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的本质低功耗和功耗管理功能。

从第四代单片机开始，各家半导体厂家都在单片机中实现了全面的低功耗技术，它包括：

（1）传统的CMOS单片机低功耗运行方式，即休闲方式（Idle）、掉电方式（PowerDown）。

（2）双时钟技术。

配置有高速（主时钟）和低速（子时钟）两个时钟系统。

在不需要高

速运行时，转入子时钟控制下，以节省功耗。

（3）高速时钟下的分频或低时钟下的倍频控制运行技术。

虽然只设置一个时钟，但可根据指令运行速度要求，通过分频、倍频来控制总线速度，以降低功耗。

（4）外围电路的电源管理。

对集成在片内的外围电路实行供电管理。

在该外围电路不运行时，关闭其电源。

（5）低电压节能技术。

CMOS电路的功耗与电源电压有关，降低供电电压能大幅度减少器件功耗。

单片机的低电压技术除了不断降低单片机电源电压外，有些单片机内部还有不同的电压供给，在可以使用低电压的局部电路中，采用低压供电。

低功耗是便携式系统重要的追求目标，是绿色电子的发展势向。

低功耗的许多技术措施会带来许多可靠性效益，也是低功耗技术发展的推动力。

因此，低功耗应是一切电子系统追求的目标。

9推行串行扩展总线

目前，外围器件接口技术发展的一个重要方面是串行接口的发展。

采用串行接口可大大减少引脚数量，简化系统结构。

采用串行接口虽然较之并行接口数据传输速度慢，但由于串行传输速度的不断提高，加之单片机面对对象的有限速度要求，使单片机应用系统中的串行扩展技术有了很大发展。

随着外围电路串行接口的发展，单片机串行扩展接口（移位寄存器接口、SPI、I2CBUS、Microwire、l－Wire）设置的普遍化、高速化，以及在片内的FlashROM不必外部并行扩展EPROM，使得单片机的并行接口技术已日渐衰退。

目前许多原有带并行总线的单片机系列，推出了许多删去并行总线的非总线单片机。

10ASMIC技术的启动与发展

专用单片机的巨大优势会推动ASMIC技术的发展。

ASMIC（ApplicationSpecificMicrocontrollerIntegratedCircuit）是以MCU为核心的专用集成电路（ASIC），与ASIC相比，由于是基于MCU的系统集成，有较好的柔性特性，是单片机应用系统实现系统集成的重要途径。

1.3单片机的特点及应用

1单片机的特点

单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。

单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点。

（1）小巧灵活、成本低、易于产品化。

它能方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。

（2）可靠性好，适应温度范围宽。

单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。

（3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。

单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。

（4）可以很方便地实现多机和分布式控制。

2单片机的应用范围

单片机的应用范围很广，在下述的各个领域中得到了广泛的应用。

（1）工业方面：

各种测控系统，数据采集系统，工业机器人，智能化仪器，机、电一体化产品。

（2）智能仪器仪表方面：

单片机应用在智能仪器、仪表方面，不仅使传统的仪器仪表发生根本的变革，也给传统的仪器、仪表行业改造带来了曙光。

（3）通讯方面：

调制解调器、程控交换技术。

（4）民用方面：

电子玩具、录像机、激光唱机。

（5）导弹与控制方面：

导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、航天飞机导航系统。

（6）各种计算机外部设备及电器方面：

打印机、硬盘驱动器、彩色与黑／白复印机，磁带机等。

（7）多机分布式系统：

可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机应用进入了一个新的水平。

由上所述，单片机从家用电器、智能仪器仪表、工业控制直到火箭导航尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。

1.4ATMEL公司的AT89C2051单片机

1AT89C2051性能及特点

AT89C2051（以下简称2051）是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片，片内带2KB的快闪可编程及可擦除只读存储器（FPEROM）。

它与MCS－51指令系统兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程，也可用常规的EPROM编程器编程。

ATMEL的205l将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了高度灵活且价格适宜的方案。

2051还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。

其中，在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器／计数器、串行口和中断系统仍然在工作。

在掉电模式下，只保存RAM的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其他功能，直到下一次硬件复位为止。

2AT89C2051主要性能

（1）与MCS－5l产品兼容。

（2）2KB的在线可重复编程快闪存储器，寿命可达1000次写／擦除周期。

（3）宽工作电压范围：

2.7V～6V。

（4）全静态工作方式：

0Hz～24MHz。

（5）两级程序存储器加密。

（6）128×

8位SRAM。

（7）15条可编程I／O线。

（8）2个16位定时器／计数器。

（9）5个中断源。