基于单片机的数字电容表设计

1 设计任务  

设计并制作一个数字电容表，系统实现的功能及要求如下：  

(1)设计的电容表可测量容量小于2μF的电容。  

(2)设计的电容表采用3位半数字显示，最大显示值为1 999。  

(3)设计的电容表读数单位统一采用nF，量程分4档，实际电容值为读数乘以相应的倍率。  

2 方案论证  

2．1 电路方案  

(1)方案一：基本电路搭建  

用基本电路来实现数字显示的电容表，电路结构复杂，故障系数大，不易调试，误差也较大。  

(2)方案二：单片机编程  

用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单、调试也相对方便。与第一种方案比较优点是非常明显的。  

2．2 显示方案  

(1)方案一：静态显示  

静态显示，显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不用再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次数据。  

此方案编程容易，管理简单，显示亮度高，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。但是引线较多，线路复杂，硬件成本较高。  

(2)方案二：动态显示  

动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据会有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。  

这两种显示方式各有利弊，静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。  

2．3 系统框图  

根据上述分析，该系统以AT89C2051单片机为核心，系统框图如图1所示。  


  
3 AT89C205l简介  

AT89C2051是Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2 KB可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 B的随机数据存储器。器件采用AtmeI公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。AT89C2051作为AT89C51的简化版虽然去掉了P0，P2等端口，使I／O口减少了，但是却增加了一个电压比较器，因此其功能在某些方面反而有所增强。引脚图如图2所示。  


  
4 电路工作原理  

该数字电容表以电容器的充电规律作为测量依据，测试原理见图3。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％，即0．632E+。数字电容表就是以该电压作为测试基准电压，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。例如，设电阻R的阻值为1 kΩ，CX两端电压上升到0．632E+所需的时间为1 ms，那么由公式τ=RC可知CX的容量为1微法。具体测量电路如图4所示。  


  
图4中，A为AT89C2051内部构造的电压比较器，AT89C2051的P1．0和P1．1口除了作为I／O口外，还有一个功能是作为电压比较器的输入端，P1．0为同相输入端，P1．1为反相输入端，电压比较器的比较结果存入P3．6口对应的寄存器。电压比较器的基准电压设定为0．632E+，在CX两端电压从0升到0．632E+的过程中，P3．6口输出为0，当电池电压CX两端电压一旦超过0．632E+时，P3．6口输出变为1。以P3．6口的输出电平为依据，用AT89C2051内部的定时器T0对充电时间进行计数，再将计数结果显示出来即得出测量结果。  

整机电路见图5。电路由单片机电路、电容充电测量电路和数码显示电路等部分组成。  


  
AT89C2051内部的电压比较器和电阻R2～R7等组成测量电路。其中R2～R5为量程电阻，由波段开关S1选择使用，电压比较器的基准电压由5 V电源电压经R6，RP1，R7分压后得到，调节RP1可调整基准电压。当P1．2口在程序的控制下输出高电平时，电容Cx即开始充电。量程电阻R2～R5每档以10倍递减，故每档显示读数以10倍递增。由于单片机内部P1．2口的上拉电阻经实测约为200 kΩ，其输出电平不能作为充电电压用，故用R5兼作其上拉电阻，由于其他三个充电电阻和R5是串联关系，因此R2，R3，R4应由标准值减去1 kΩ，分别为999 kΩ，99 kΩ，9 kΩ。由于999 kΩ和1 MΩ相对误差较小，所以R2还是取1 MΩ。  

数码管DS1～DS4、电阻R8～R14等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，用软件对字形码译码。P3．0～P3．5，P3．7口作数码显示七段笔划字形码的输出，P1．3～P1．6口作四个数码管的动态扫描位驱动码输出。在此采用了共阴数码管，由于AT89C2051的P1．3～P1．6口有25 mA的下拉电流能力，所以不用三极管就能驱动数码管。R8～R14为P3．0～P3．5，P3．7口的上拉电阻，用以驱动数码管的各字段，当P3的某一端口输出低电平时其对应的字段笔划不点亮，而当其输出高电平时，则对应的上拉电阻即能点亮相应的字段笔划。  

5 软件设计  

程序用C语言编写。软件部分由主程序、定时中断服务子程序等模块组成。定时器T0作被测电容器充电时间的计数用。定时器T1用于定时中断服务，定时时间为5 ins，即5 ms产生一次中断。数组BitTab[4]用来存储位驱动码，DispTab[11]用来存储字形码，数组DispBtlf[4]的4个元素分别用来存储从定时器T0读出的数据的个、十百千位的4位数字。程序显示每一位数码的时间为5 ms，因此显示完整的4位数的周期为20 ms(4次中断)。每过240 ms(48次中断)刷新一下数据，即每过240 ms测一次电容量，测量时间小于2 ms，由于这一时间小于中断的时间5 ms，因此在测量过程中不会出现中断现象。测量电容时P1．2口输出高电平，电容开始充电，与此同时定时器T0开始计数，当电容器充电达到基准电压时，P3．6口输出高电平，据此程序做出判断停止T0的计数，并读出数据送数码管显示。如果被测电容器的容量超出测试档的量程，则计数值大于或等于2 000，显示结果为千位数显示1，其他三位数不显示。经仿真和电路测试，发现单片机判断P3．6口是否输出高电平要花3个机器周期，这会使显示值增加3，因此在程序中对此误差进行了修正，对计数值减去了3。字形码的输出用了P3口的P3．0～P3．5，P3．7，P3．6为空，P3口输出的数据通过数组DispTab获得。数据位和字形的对应关系如表1所示。  


  
6 安装与调试  

该设计用AT89C2051单片机集成电路，X1用12 MHz的石英晶体，S1选用1×4的波段开关，DS1～DS4选用共阴LED数码管。安装前先将C语言源程序用KEIL 51编译成目标文件即HEX文件，再用编程器将HEX文件写入AT89C2051芯片。调试工作主要是通过对RP1的调节来调整基准电压，最好是通过对一个精度比较高的的电容器的测量来进行调节，而不是直接测量基准电压。具体方法是，选一个经确认容量比较准确的电容器，如15 nF的电容器，将S1置于20 nF档上，调节RP1是测量显示值为1 500。选择的电容器容量至少要大于相应量程的50％，最好是接近满量程，才能调得比较准确。该档调试好后其他各档也就调试好了。如果发现某档精度有问题，可改变其相应充电电阻的阻值来进行调整。在使用过程中，当S1置于2 nF档时，在没有接人测试电容器时，有10 pF左右的显示值是正常的，因为这是电压比较器的输入电容和电路的分布电容。  

只要在测量读数时间去掉这一数值即可。因此在调试时不要选择该档，以免因分布电容影响调试得准确性。  

C文件源程序如下：