基于51單片機(jī)的數(shù)字電容表設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的電容表，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障系數(shù)大，不易調(diào)試，誤差也較大。
(2)方案二：單片機(jī)編程
用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，由于使用軟硬件結(jié)合的方式，所以電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試也相對方便。與第一種方案比較優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。
2．2 顯示方案
(1)方案一：靜態(tài)顯示
靜態(tài)顯示，顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不用再管，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次數(shù)據(jù)。
此方案編程容易，管理簡單，顯示亮度高，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間。但是引線較多，線路復(fù)雜，硬件成本較高。
(2)方案二：動(dòng)態(tài)顯示
動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會(huì)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。
這兩種顯示方式各有利弊，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。
2．3 系統(tǒng)框圖
根據(jù)上述分析，該系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 AT89C205l簡介
AT89C2051是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含2 KB可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(EPROM)和128 B的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。器件采用AtmeI公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)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(gè)電壓比較器，因此其功能在某些方面反而有所增強(qiáng)。引腳圖如圖2所示。

4 電路工作原理
該數(shù)字電容表以電容器的充電規(guī)律作為測量依據(jù)，測試原理見圖3。電源電壓E+經(jīng)電阻R給被測電容CX充電，CX兩端原電壓隨充電時(shí)間的增加而上升。當(dāng)充電時(shí)間t等于RC時(shí)間常數(shù)τ時(shí)，CX兩端電壓約為電源電壓的63．2％，即0．632E+。數(shù)字電容表就是以該電壓作為測試基準(zhǔn)電壓，測量電容器充電達(dá)到該電壓的時(shí)間，便能知道電容器的容量。例如，設(shè)電阻R的阻值為1 kΩ，CX兩端電壓上升到0．632E+所需的時(shí)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(nèi)部構(gòu)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(gè)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(jié)果存入P3．6口對應(yīng)的寄存器。電壓比較器的基準(zhǔn)電壓設(shè)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(dāng)電池電壓CX兩端電壓一旦超過0．632E+時(shí)，P3．6口輸出變?yōu)?。以P3．6口的輸出電平為依據(jù)，用AT89C2051內(nèi)部的定時(shí)器T0對充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，再將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來即得出測量結(jié)果。
整機(jī)電路見圖5。電路由單片機(jī)電路、電容充電測量電路和數(shù)碼顯示電路等部分組成。

AT89C2051內(nèi)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(guān)S1選擇使用，電壓比較器的基準(zhǔn)電壓由5 V電源電壓經(jīng)R6，RP1，R7分壓后得到，調(diào)節(jié)RP1可調(diào)整基準(zhǔn)電壓。當(dāng)P1．2口在程序的控制下輸出高電平時(shí)，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(shù)以10倍遞增。由于單片機(jī)內(nèi)部P1．2口的上拉電阻經(jīng)實(shí)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(gè)充電電阻和R5是串聯(lián)關(guān)系，因此R2，R3，R4應(yīng)由標(biāo)準(zhǔn)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(shù)碼管DS1～DS4、電阻R8～R14等組成數(shù)碼顯示電路。本機(jī)采用動(dòng)態(tài)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(shù)碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，P1．3～P1．6口作四個(gè)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描位驅(qū)動(dòng)碼輸出。在此采用了共陰數(shù)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(qū)動(dòng)數(shù)碼管。R8～R14為P3．0～P3．5，P3．7口的上拉電阻，用以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各字段，當(dāng)P3的某一端口輸出低電平時(shí)其對應(yīng)的字段筆劃不點(diǎn)亮，而當(dāng)其輸出高電平時(shí)，則對應(yīng)的上拉電阻即能點(diǎn)亮相應(yīng)的字段筆劃。