用AT89C2051單片機(jī)制作的數(shù)字電容表

用AT89C2051單片機(jī)制作的數(shù)字電容表

吳漢清

AT89C2051作為AT89C51的簡(jiǎn)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)，如能用來(lái)處理模擬量、進(jìn)行簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換等。本文利用這一功能設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字電容表，可測(cè)量容量小于2微法的電容器的容量，采用3位半數(shù)字顯示，最大顯示值為1999，讀數(shù)單位統(tǒng)一采用毫微法(nf)，量程分四檔，讀數(shù)分別乘以相應(yīng)的倍率。

電路工作原理

本數(shù)字電容表以電容器的充電規(guī)律作為測(cè)量依據(jù)，測(cè)試原理見(jiàn)圖1。電源電

圖1

壓E+經(jīng)電阻R給被測(cè)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(cè)試基準(zhǔn)電壓，測(cè)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1千歐，CX兩端電壓上升到0.632E+所需的時(shí)間為1毫秒，那么由公式τ=RC可知CX的容量為1微法。

測(cè)量電路如圖2所示。A為AT89C2051內(nèi)部構(gòu)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(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(duì)應(yīng)的寄存器，P3.6口在AT89C2051外部無(wú)引腳。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(guò)程中，P3.6口輸出為0，當(dāng)電池電壓CX兩端電壓一旦超過(guò)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(duì)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(lái)即得出測(cè)量結(jié)果。

整機(jī)電路見(jiàn)圖3。電路由單片機(jī)電路、電容充電測(cè)量電路和數(shù)碼顯示電路等

圖3

部分組成。

AT89C2051內(nèi)部的電壓比較器和電阻R2-R7等組成測(cè)量電路，其中R2-R5為量程電阻，由波段開(kāi)關(guān)S1選擇使用，電壓比較器的基準(zhǔn)電壓由5V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(kāi)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(cè)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(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1K，分別為999K、99K、9K。由于999K和1M相對(duì)誤差較小，所以R2還是取1M。

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(duì)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。這里采用了共陰數(shù)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(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(duì)應(yīng)的字段筆劃不點(diǎn)亮，而當(dāng)其輸出高電平時(shí)，則對(duì)應(yīng)的上拉電阻即能點(diǎn)亮相應(yīng)的字段筆劃。

軟件設(shè)計(jì)

程序使用C語(yǔ)言編寫，詳細(xì)源程序見(jiàn)本刊網(wǎng)站。

程序由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序等模塊組成。定時(shí)器T0作被測(cè)電容器充電時(shí)間的計(jì)數(shù)用。定時(shí)器T1用于定時(shí)中斷服務(wù)，定時(shí)時(shí)間為5ms，即5ms產(chǎn)生一次中斷。數(shù)組BitTab[4] 用來(lái)存儲(chǔ)位驅(qū)動(dòng)碼，DispTab[11] 用來(lái)存儲(chǔ)字形碼，數(shù)組DispBuf[4]的4個(gè)元素分別用來(lái)存儲(chǔ)從定時(shí)器T0讀出的數(shù)據(jù)的個(gè)、十百千位的4位數(shù)字。

程序顯示每一位數(shù)碼的時(shí)間為5ms，因此顯示完整的4位數(shù)的周期為20ms(4次中斷)。每過(guò)240ms(48次中斷)刷新一下數(shù)據(jù)，即每過(guò)240ms測(cè)一下電容量，測(cè)量時(shí)間小于2ms，由于這一時(shí)間小于中斷的時(shí)間5ms，因此在測(cè)量過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。測(cè)量電容時(shí)P1.2口輸出高電平，電容開(kāi)始充電，與此同時(shí)定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)電容器充電達(dá)到基準(zhǔn)電壓時(shí)，P3.6口輸出高電平，據(jù)此程序作出判斷停止T0的計(jì)數(shù)，并讀出數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示。如果被測(cè)電容器的容量超出測(cè)試檔的量程，則計(jì)數(shù)值大于或等于2000，顯示結(jié)果為千位數(shù)顯示1，其它三位數(shù)不顯示，這和數(shù)字萬(wàn)用表超過(guò)量程的顯示模式相同。這時(shí)可選擇大一檔的量程進(jìn)行測(cè)試。

經(jīng)仿真和電路測(cè)試，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)判斷P3.6口是否輸出高電平要化3個(gè)機(jī)器周期，這會(huì)使顯示值增加3，因此在程序中對(duì)此誤差進(jìn)行了修正，對(duì)計(jì)數(shù)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(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)組DispTab[11]獲得。數(shù)據(jù)

總結(jié)

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