基于AT89C2051單片機的數字電容表設計

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。