PICl6LF874单片机在电容测量模块中的应用
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。 function imgzoom(id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(id).width; var m = 650; if(w< m){return;} else{ var h = $(id).height; $(id).height = parseint(h*m/w); $(id).width = m; } } window.onload = function() { var imgs = $(content).getelementsbytagname(img); var i=0; for(;i
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。
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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。 function imgzoom(id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(id).width; var m = 650; if(w< m){return;} else{ var h = $(id).height; $(id).height = parseint(h*m/w); $(id).width = m; } } window.onload = function() { var imgs = $(content).getelementsbytagname(img); var i=0; for(;i
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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。
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