用AT89C2051单片机制作的数字电容表
用AT89C2051单片机制作的数字电容表
吴汉清
AT89C2051作为AT89C虽然51的简化版已经去掉了P0、P2等端口，使I/O口腔减少，但增加了电压比较器，因此其功能在某些方面得到了增强，如处理模拟量、简单的模数转换等。本文利用该功能设计了一个可测量容量小于2微的数字电容表，最大显示值为1999，读数单读数单毫微法(nf)，量程分为四档，读数乘以相应的倍率。
电路工作原理
本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1。电源电
图1
压E 被测电容通过电阻R给出CX充电，CX随着充电时间的增加，两端原电压上升。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 。数字电容表是以电压作为测试基准电压，测量电容器充电到达电压的时间，以了解电容器的容量。例如，设置电阻R的电阻值为1000欧元，CX两端电压升至0.632E 所需时间为1毫秒，然后公式τ=RC可知CX容量为1微法。
测量电路如图2所示。A为AT89C2051内部结构的电压比较器，AT89C2051
图2
的P1.0和P1.1口除了作I/O另一个功能是作为电压比较器的输入端，P1.0是同相输入端，P1.1为反向输入端，存储电压比较器的比较结果P3.6对应的寄存器，P3.6口在AT89C2051外无引脚。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.当电池电压为0时，6口输出为0CX一旦两端电压超过0.632E 时，P3.6口输出变为1。以P3.以6口输出电平为基础，使用6口输出电平AT89C2051内部的定时器T计数充电时间，然后显示计数结果，得到测量结果。
整机电路见图3。电路由单片机电路、电容充电测量电路、数字显示电路等组成。
图3
部分组成。
AT89C2051年内部的电压比较器和电阻R2-R7等测量电路的组成R2-R5是由波段开关制成的量程电阻S1.电压比较器的基准电压由5选择V电源电压经R6、RP1、R7分压后得到调整RP基准电压可调节。当P1.在程序程序控制下输出高电平时，电容CX开始充电。量程电阻R2-R每档以10倍递减，因此每档显示读数以10倍递增。由于单片机内部P1.经实测，2口上拉电阻约为200K，其输出电平不能用作充电电压，因此使用R由于其他三个充电电阻和上拉电阻，5与上拉电阻相结合R因此，五是串联关系R2、R3、R4应从标准值减去1K，分别为999K、99K、9K。由于999K和1M因此，误差相对较小R2还是取1M。
数码管DS1-DS4、电阻R8-R数码显示电路由14等组成。本机采用动态扫描显示，用软件翻译字形码。P3.0-P3.5、P3.七口作数码显示七段笔划字形码输出，P1.3-P1.六口输出四个数字管的动态扫描位驱动码。由于共阴数码管在这里使用，AT89C2051的P1.3-P1.6口有25mA下拉电流能力，无需三极管即可驱动数码管。R8-R14为P3.0-P3.5、P3.当7口上拉电阻驱动数字管的每个字段时P3.当一个端口输出低电时，相应的字段笔划不会点亮，当其输出高电时，相应的上拉电阻可以点亮相应的字段笔划。
软件设计
程序用C语言编写，详见本刊网站。
该程序由主程序、定期中断服务子程序等模块组成。定时器T0数被测电容器的充电时间。定时器T1用于定期中断服务，定期时间为5ms，即5ms中断。数组BitTab[4] 存储位驱动码，DispTab[11] 用于存储字形码和数组DispBuf从定时器中存储4个元素T0读数据的4位数，1000位数。
程序显示每个数字的时间是5ms，所以4位数的完整周期是20ms(4次中断)。每过240ms(48次中断)刷新数据，即每240次ms测量电容量，测量时间小于2ms，由于此时间小于中断时间5ms，因此，在测量过程中不会中断。测量电容时P1.2口输出高电平，电容开始充电，同时定时器T当电容器充电达到基准电压时，0开始计数，P3.6口输出高电平，根据此程序判断停止T计数0，并读取数据发送数字管显示。如果测量电容器的容量超过测试文件的范围，计数值大于或等于2000，显示结果为1千位数，其他三位数不显示，与数字万用表的范围相同。此时可选择大一档的量程进行测试。
经过模拟和电路测试，发现单片机判断P3.6口是否输出高电平需要三个机器周期，这将增加显示值3，因此在程序中纠正误差，计数值减去3。
输出字形码P3口的P3.0-P3.5、P3.7，P3.6为空，P通过数组输出3口输出的数据DispTab[11]获取