用AT89C2051單片機制作的數字電容表

用AT89C2051單片機制作的數字電容表

吳漢清

AT89C2051作為AT89C51的簡化版雖然去掉了P0、P2等端口，使I/O口減少了，但是卻增加了一個電壓比較器，因此其功能在某些方面反而有所增強，如能用來處理模擬量、進行簡單的模數轉換等。本文利用這一功能設計了一個數字電容表，可測量容量小于2微法的電容器的容量，采用3位半數字顯示，最大顯示值為1999，讀數單位統一采用毫微法(nf)，量程分四檔，讀數分別乘以相應的倍率。

電路工作原理

本數字電容表以電容器的充電規律作為測量依據，測試原理見圖1。電源電

圖1

壓E+經電阻R給被測電容CX充電，CX兩端原電壓隨充電時間的增加而上升。當充電時間t等于RC時間常數τ時，CX兩端電壓約為電源電壓的63.2%，即0.632E+。數字電容表就是以該電壓作為測試基準電壓，測量電容器充電達到該電壓的時間，便能知道電容器的容量。例如，設電阻R的阻值為1千歐，CX兩端電壓上升到0.632E+所需的時間為1毫秒，那么由公式τ=RC可知CX的容量為1微法。

測量電路如圖2所示。A為AT89C2051內部構造的電壓比較器，AT89C2051

圖2

的P1.0和P1.1口除了作I/O口外，還有一個功能是作為電壓比較器的輸入端，P1.0為同相輸入端，P1.1為反相輸入端，電壓比較器的比較結果存入P3.6口對應的寄存器，P3.6口在AT89C2051外部無引腳。電壓比較器的基準電壓設定為0.632E+，在CX兩端電壓從0升到0.632E+的過程中，P3.6口輸出為0，當電池電壓CX兩端電壓一旦超過0.632E+時，P3.6口輸出變為1。以P3.6口的輸出電平為依據，用AT89C2051內部的定時器T0對充電時間進行計數，再將計數結果顯示出來即得出測量結果。

整機電路見圖3。電路由單片機電路、電容充電測量電路和數碼顯示電路等

圖3

部分組成。

AT89C2051內部的電壓比較器和電阻R2-R7等組成測量電路，其中R2-R5為量程電阻，由波段開關S1選擇使用，電壓比較器的基準電壓由5V電源電壓經R6、RP1、R7分壓后得到，調節RP1可調整基準電壓。當P1.2口在程序的控制下輸出高電平時，電容CX即開始充電。量程電阻R2-R5每檔以10倍遞減，故每檔顯示讀數以10倍遞增。由于單片機內部P1.2口的上拉電阻經實測約為200K，其輸出電平不能作為充電電壓用，故用R5兼作其上拉電阻，由于其它三個充電電阻和R5是串聯關系，因此R2、R3、R4應由標準值減去1K，分別為999K、99K、9K。由于999K和1M相對誤差較小，所以R2還是取1M。

數碼管DS1-DS4、電阻R8-R14等組成數碼顯示電路。本機采用動態掃描顯示的方式，用軟件對字形碼譯碼。P3.0-P3.5、P3.7口作數碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，P1.3-P1.6口作四個數碼管的動態掃描位驅動碼輸出。這里采用了共陰數碼管，由于AT89C2051的P1.3-P1.6口有25mA的下拉電流能力，所以不用三極管就能驅動數碼管。R8-R14為P3.0-P3.5、P3.7口的上拉電阻，用以驅動數碼管的各字段，當P3的某一端口輸出低電平時其對應的字段筆劃不點亮，而當其輸出高電平時，則對應的上拉電阻即能點亮相應的字段筆劃。

軟件設計

程序使用C語言編寫，詳細源程序見本刊網站。

程序由主程序、定時中斷服務子程序等模塊組成。定時器T0作被測電容器充電時間的計數用。定時器T1用于定時中斷服務，定時時間為5ms，即5ms產生一次中斷。數組BitTab[4] 用來存儲位驅動碼，DispTab[11] 用來存儲字形碼，數組DispBuf[4]的4個元素分別用來存儲從定時器T0讀出的數據的個、十百千位的4位數字。

程序顯示每一位數碼的時間為5ms，因此顯示完整的4位數的周期為20ms(4次中斷)。每過240ms(48次中斷)刷新一下數據，即每過240ms測一下電容量，測量時間小于2ms，由于這一時間小于中斷的時間5ms，因此在測量過程中不會出現中斷現象。測量電容時P1.2口輸出高電平，電容開始充電，與此同時定時器T0開始計數，當電容器充電達到基準電壓時，P3.6口輸出高電平，據此程序作出判斷停止T0的計數，并讀出數據送數碼管顯示。如果被測電容器的容量超出測試檔的量程，則計數值大于或等于2000，顯示結果為千位數顯示1，其它三位數不顯示，這和數字萬用表超過量程的顯示模式相同。這時可選擇大一檔的量程進行測試。

經仿真和電路測試，發現單片機判斷P3.6口是否輸出高電平要化3個機器周期，這會使顯示值增加3，因此在程序中對此誤差進行了修正，對計數值減去了3。

字形碼的輸出用了P3口的P3.0-P3.5、P3.7，P3.6為空，P3口輸出的數據通過數組DispTab[11]獲得。數據

總結

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