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。


点击看大图

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。