PICl6LF874单片机在电容测量模块中的应用

2011-04-26 16:57:06来源: 互联网

    摘要:为提高电容测量精度,针对电容式传感器的工作原理设计了基于PICl6LF874单片机电容测量模块。简单阐述了电容测量电路的应用背景和国内外研究现状,介绍了美国Microchip公司PICl6LF874单片机的特性。电容式传感器输出的动态微弱电容信号通过PS02l型电容数字转换器把模拟量数据转换成数字量数据,所测数据由PICl6LF874单片机应用程序进行处理、显示和保存。实验结果表明,固定电容标称值为lO~20 pF的测量值相对误差在l%以内,同时也可知被测电容容值越大,测量值和标称值相对误差越小。
关键词:PICl6LF874;电容传感器;PS02l;测试

    电容式传感器已广泛应用于工业、医学、军事等领城。但目前大部分电容测量方法集成化水平低、精度低,因而对电容特别是对微小电容的精确测量始终是一个很重要的内容。振荡法电路结构简单、抗干扰能力差,板间内电容影响测量结果;电桥法利用电桥平衡原理测量电容,测量结果受桥臂电容性能影响较大。本文用到美国Micmchip公司PICl6LF874单片机,该单片机采用RISC精简指令集、哈佛总线结构、流水线指令方式,具有抗干扰能力强、功耗低、高性能、价格低等特性。

1 PICl6LF874单片机
    PICl6系列单片机采用精简指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC)结构,突破了传统单片机对PC机在结构上存在的自然依赖性;加上哈佛总线的存储器结构、两级流水线指令结构、单周期指令等技术,从而在单片机硬件结构上独辟蹊径,大大提高了系统运行的效率。除此之外,针对单片机机应用的特点,从功耗、驱动能力、外围模块设计等方面,PIC单片机也有一些独到之处,从而使得PIC成为一款方便实用的高性价比的单片机。
    PICl6LF874系列单片机包括一系列不同型号的器件。主要特点有:
    1)精简指令集技术 PIC指令系统是专门根据小型机特点设计的,力求每一条指令达到更高的效率,减少指令功能的重复。高中低档的门PIC单片机指令数分别为58条、35条和33条。这就带来了两方面的好处,一方面可以使代码的利用率大大提高,有利于提高执行速度。另一方面给用户学习、记忆和应用带来了极大的好处,编程和调试相对就更加容易,而且同样的功能所需的编码减少,节约了开发时间。
    2)哈佛(Harvard)总线结构 哈佛结构是程序存储器和数据存储器独立编址,即两者位于不同的物理空间。PIC系列单片机不仅采用哈佛体系结构,而且采用哈佛总线结构,从而充分发挥了哈佛结构的潜在优势。大大提升了系统的运行效率和数据可靠性。
    3)单字节指令 单字节指令对单片机系统是革新性的变化。高中低档的PIC单片机的指令位数分别为16位、14位、12位。ROM和RAM的寻址相对独立,所有的指令实现了单字节化,不仅使数据的存取更加安全,其运行速度也得到了显著的提高。
    4)两级流水线指令结构 由于采用了哈佛总线结构,在器件内部将数据总线和指令总线分离,并且采用了不同的总线宽度。当一条指令被执行时,下一条指令同时被取出,使得在每个时钟周期可以获得更高的效率。
    5)寄存器组结构 PIC的所有寄存器,包括I/O端口、定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式,并且只需要一个指令周期就可以完成访问和操作。
    6)一次性可编程(OTP)技术 OTP可以实现产品上市零等待(Zero time to market),并且可以根据用户定制,满足特定需要。产品定制可以显著提高产品的生命周期,增强产品的市场竞争力。
    7)功耗低 供电电压为2.0~5.5V,当使用4 MHz晶振,供电电压为3V时,耗电电流典型值不超过6 mA:当用32 kHz晶振,供电电压力3 V时,耗电电流典型值为20 mA,睡眠模式耗电电流更是低于lμA。
    8)品种齐全、方便选择 PIC系列单片机目前已形成具有高、中、低3档共50多种型号的庞大家族,功能灵活多样,能适应多种应用场合的不同需要。

2 电容测量模块工作原理
    电容测量模块总体设计原理框图如图l所示,包括电源管理电路、PICl6LF874单片机、电容式传感器、信号调理电路、PS021电容数字转化器以及与计算机连接的接口电路。

    电容测量模块工作原理为:电容式传感器输出微弱的电容信号,电容信号通过信号调理电路。进入PS02l型电容数字转换器,该器件的测量电容测量范嗣从0到几十nF(无限制),经过器件内部转换,通过对PS02l内部寄存器的设置,得到需要的值;通过SPI把数据传送到PICl6LF-874单片机,测得的数据再通过单片机异步串行通信接口USART送到上位机(计算机),最后由上位机应用程序来显示测量结果以及保存测试数据。

3 系统硬件连接
    本测量电路需要控制器件来控制数据的读取和写入,选用结构简单,功能强大,并且兼容SPI串行接口的PICl6LF874单片机。由于PS02l的外围接口是SPI,因此单片机能很好的控制PS02l工作,同时测量数据可以通过USART串行接口送入到上位机中。单片机的连接如图2所示,PS02l的连接图如图3所示。

4 系统软件功能的实现
    基于PS021设计的应用软件包括检测、控制、数据处理、数据库管理和系统界面等程序。在程序运行速度和存储容量许可的条件下,尽量用软件实现传统仪器系统的硬件功能,简化硬件配置。此外,界面是测试系统和虚拟仪器的“窗口”,是系统显示功能信息的主要途径。软件设计不仅要实现功能,而且要界面美观。在确定测试系统的硬件平台后,关键是选择合适的软件开发工具编写相应的应用软件。以图形化编程语言开发该测试模块。该开发环境能提供一个集成的开发环境,与仪器硬件连接方便,具有良好的用户界面。根据上位机应用程序设计的原理,得到测试系统的软件,通过在软件的主界面设置一些参数,硬件电路和上位机相连,就能显示测量结果。测量结果在数据显示界面显示,如图4所示。

5 试验与结果
     运用上述软件测量。在测量之前,必须对测量系统进行标定,标定时PS02l要求参考电容Cref与被测电容Cmeas在同一电容值范围,即确保Cmeas/Cref比率不会超过25%(PS02l的极限值)。参考电容是一个非常重要的部分,对于测量的质量以及测量的温度稳定性有直接的影响。推荐的电容材料:CFCAP(太阳诱电Taiyo Yuden公司的多层陶瓷电容)系列,COG或者NPO陶瓷电容。放电电阻Rdis与放电时间密切相关,放电时间τ=0.7R(C+20 pF),时间常数τ范围为2~10μs(推荐5μs)。根据公式计算之放电电阻阻值。
    试验中,分别选取1、2、3、5.1、6.8、8.2、9.1、12、13、15、16.5、18 pF的固定电容作为被测电容。根据被测电容的范围确定参考电容的大小,然后根据被测电容和参考电容值,并结合放电时间来确定放电电阻阻值,最后选择适当的测量模式进行测量。在标定好的系统下,在参考端和被测端分别接一只参考电容,此时在数据显示界面显示的值为参考电容值以及寄生电容值的和(图3中Sensor l显示的数据);然后在被测端参考电容的基础上再并联被测电容,此时测得的数据为被测电容值、参考电容值以及寄生电容值的总和,以上两步所测值相减就是被测的电容值,最后得到的被测电容值统计如表l所示。


    表1反映了被测电容测量值和标称值之间的相对误差,同时也得知被测电容电容值越大,测量值和标称值相对误差越小。由于被测电容受到环境温度、焊锡量多少以及被测电容质量等因素的影响,存在一定的误差。通过多次测量进行平均,以获取更稳定的电容值。在标定好的系统下,对固定电容进行测量来验证测量模块的精确度,测量值和标称值非常接近,可认为被测电容标称值误差较小,进一步得知电容测量模块测量精度较高。

6 结束语
    PlCl6LF874单片机能够很好的控制电容测量模块,对研究电容式传感器有很好的促进作用,该单片机简化了电路设计,使测量结果达到较高的精度;同时这种测量模块可以减小电路板的体积,从而减小整个装置的体积;大大简化了电路设计过程、降低产品的开发难度、对加速产品的研制、降低生产成本具有非常重要的意义。实验结果证明,此测量模块具有较好的实用性。

关键字:单片机  电容  测量  模块

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0426/article_5733.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
单片机
电容
测量
模块

小广播

独家专题更多

TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved