設計任務

設計并制作一個數字電容表，系統實現的功能及要求如下：

(1)設計的電容表可測量容量小于2μF的電容。

(2)設計的電容表采用3位半數字顯示，最大顯示值為1 999。

(3)設計的電容表讀數單位統一采用nF，量程分4檔，實際電容值為讀數乘以相應的倍率。

2 方案論證

2．1 電路方案

(1)方案一：基本電路搭建

用基本電路來實現數字顯示的電容表，電路結構復雜，故障系數大，不易調試，誤差也較大。

(2)方案二：單片機編程

用單片機設計電路，由于使用軟硬件結合的方式，所以電路結構簡單、調試也相對方便。與第一種方案比較優點是非常明顯的。

2．2 顯示方案

(1)方案一：靜態顯示

靜態顯示，顯示驅動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所要顯示的數據送出后就不用再管，直到下一次顯示數據需要更新時再傳送一次數據。

此方案編程容易，管理簡單，顯示亮度高，顯示數據穩定，占用很少的CPU時間。但是引線較多，線路復雜，硬件成本較高。

(2)方案二：動態顯示

動態顯示需要CPU時刻對顯示器件進行數據刷新，顯示數據會有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節省線路板空間。

這兩種顯示方式各有利弊，靜態顯示雖然數據穩定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，使用的硬件較多；動態顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節省線路板空間。

2．3 系統框圖

根據上述分析，該系統以AT89C2051單片機為核心，系統框圖如圖1所示。

3 AT89C205l簡介

AT89C2051是Atmel公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含2 KB可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128 B的隨機數據存儲器。器件采用AtmeI公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統，片內置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元。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。引腳圖如圖2所示。

4 電路工作原理

該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3。電源電壓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 kΩ，CX兩端電壓上升到0．632E+所需的時間為1 ms，那么由公式τ=RC可知CX的容量為1微法。具體測量電路如圖4所示。

圖4中，A為AT89C2051內部構造的電壓比較器，AT89C2051的P1．0和P1．1口除了作為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。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5。電路由單片機電路、電容充電測量電路和數碼顯示電路等部分組成。

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5 V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200 kΩ，其輸出電平不能作為充電電壓用，故用R5兼作其上拉電阻，由于其他三個充電電阻和R5是串聯關系，因此R2，R3，R4應由標準值減去1 kΩ，分別為999 kΩ，99 kΩ，9 kΩ。由于999 kΩ和1 MΩ相對誤差較小，所以R2還是取1 MΩ。

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。在此采用了共陰數碼管，由于AT89C2051的P1．3～P1．6口有25 mA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。

5 軟件設計

程序用C語言編寫。軟件部分由主程序、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5 ins，即5 ms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DispBtlf[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5 ms，因此顯示完整的4位數的周期為20 ms(4次中斷)。每過240 ms(48次中斷)刷新一下數據，即每過240 ms測一次電容量，測量時間小于2 ms，由于這一時間小于中斷的時間5 ms，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，據此程序做出判斷停止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2 000，顯示結果為千位數顯示1，其他三位數不顯示。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花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獲得。數據位和字形的對應關系如表1所示。

6 安裝與調試

該設計用AT89C2051單片機集成電路，X1用12 MHz的石英晶體，S1選用1×4的波段開關，DS1～DS4選用共陰LED數碼管。安裝前先將C語言源程序用KEIL 51編譯成目標文件即HEX文件，再用編程器將HEX文件寫入AT89C2051芯片。調試工作主要是通過對RP1的調節來調整基準電壓，最好是通過對一個精度比較高的的電容器的測量來進行調節，而不是直接測量基準電壓。具體方法是，選一個經確認容量比較準確的電容器，如15 nF的電容器，將S1置于20 nF檔上，調節RP1是測量顯示值為1 500。選擇的電容器容量至少要大于相應量程的50％，最好是接近滿量程，才能調得比較準確。該檔調試好后其他各檔也就調試好了。如果發現某檔精度有問題，可改變其相應充電電阻的阻值來進行調整。在使用過程中，當S1置于2 nF檔時，在沒有接人測試電容器時，有10 pF左右的顯示值是正常的，因為這是電壓比較器的輸入電容和電路的分布電容。

只要在測量讀數時間去掉這一數值即可。因此在調試時不要選擇該檔，以免因分布電容影響調試得準確性。

C文件源程序如下：