基于AT89C2051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。