設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字電容表，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及要求如下：

(1)設(shè)計(jì)的電容表可測(cè)量容量小于2μF的電容。

(2)設(shè)計(jì)的電容表采用3位半數(shù)字顯示，最大顯示值為1 999。

(3)設(shè)計(jì)的電容表讀數(shù)單位統(tǒng)一采用nF，量程分4檔，實(shí)際電容值為讀數(shù)乘以相應(yīng)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(lái)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(jiǎn)單、調(diào)試也相對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(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)。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(cè)量依據(jù)，測(cè)試原理見(jiàn)圖3。電源電壓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 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(cè)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(duì)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(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5。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(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(duì)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(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。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(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。

5 軟件設(shè)計(jì)

程序用C語(yǔ)言編寫。軟件部分由主程序、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5 ins，即5 ms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DispBtlf[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5 ms，因此顯示完整的4位數(shù)的周期為20 ms(4次中斷)。每過(guò)240 ms(48次中斷)刷新一下數(shù)據(jù)，即每過(guò)240 ms測(cè)一次電容量，測(cè)量時(shí)間小于2 ms，由于這一時(shí)間小于中斷的時(shí)間5 ms，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)此程序做出判斷停止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2 000，顯示結(jié)果為千位數(shù)顯示1，其他三位數(shù)不顯示。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花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獲得。數(shù)據(jù)位和字形的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

6 安裝與調(diào)試

該設(shè)計(jì)用AT89C2051單片機(jī)集成電路，X1用12 MHz的石英晶體，S1選用1×4的波段開(kāi)關(guān)，DS1～DS4選用共陰LED數(shù)碼管。安裝前先將C語(yǔ)言源程序用KEIL 51編譯成目標(biāo)文件即HEX文件，再用編程器將HEX文件寫入AT89C2051芯片。調(diào)試工作主要是通過(guò)對(duì)RP1的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整基準(zhǔn)電壓，最好是通過(guò)對(duì)一個(gè)精度比較高的的電容器的測(cè)量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不是直接測(cè)量基準(zhǔn)電壓。具體方法是，選一個(gè)經(jīng)確認(rèn)容量比較準(zhǔn)確的電容器，如15 nF的電容器，將S1置于20 nF檔上，調(diào)節(jié)RP1是測(cè)量顯示值為1 500。選擇的電容器容量至少要大于相應(yīng)量程的50％，最好是接近滿量程，才能調(diào)得比較準(zhǔn)確。該檔調(diào)試好后其他各檔也就調(diào)試好了。如果發(fā)現(xiàn)某檔精度有問(wèn)題，可改變其相應(yīng)充電電阻的阻值來(lái)進(jìn)行調(diào)整。在使用過(guò)程中，當(dāng)S1置于2 nF檔時(shí)，在沒(méi)有接人測(cè)試電容器時(shí)，有10 pF左右的顯示值是正常的，因?yàn)檫@是電壓比較器的輸入電容和電路的分布電容。

只要在測(cè)量讀數(shù)時(shí)間去掉這一數(shù)值即可。因此在調(diào)試時(shí)不要選擇該檔，以免因分布電容影響調(diào)試得準(zhǔn)確性。

C文件源程序如下：