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AT89C51的简化版虽然去掉了P0、P2等端口，使I/O口减少了，但是却增加了一个电压比较器，因此其功能在某些方面反而有所增强，如能用来处理模拟量、进行简单的模数转换等。本文利用这一功能设计了一个数字电容表，可测量容量小于2微法的电容器的容量，采用3位半数字显示，最大显示值为1999，读数单位统一采用毫微法(nf)，量程分四档，读数分别乘以相应的倍率。

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+经电阻R给被测电容CX充电，CX两端原电压随充电时间的增加而上升。当充电时间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+。数字电容表就是以该电压作为测试基准电压，测量电容器充电达到该电压的时间，便能知道电容器的容量。例如，设电阻R的阻值为1千欧，CX两端电压上升到0.632E+所需的时间为1毫秒，那么由公式τ=RC可知CX的容量为1微法。

测量电路如图2所示。A为AT89C2051内部构造的电压比较器，AT89C2051

图2

的P1.0和P1.1口除了作I/O口外，还有一个功能是作为电压比较器的输入端，P1.0为同相输入端，P1.1为反相输入端，电压比较器的比较结果存入P3.6口对应的寄存器，P3.6口在AT89C2051外部无引脚。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，P3.6口输出为0，当电池电压CX两端电压一旦超过0.632E+时，P3.6口输出变为1。以P3.6口的输出电平为依据，用AT89C2051内部的定时器T0对充电时间进行计数，再将计数结果显示出来即得出测量结果。

整机电路见图3。电路由单片机电路、电容充电测量电路和数码显示电路等

图3

部分组成。

AT89C2051内部的电压比较器和电阻R2-R7等组成测量电路，其中R2-R5为量程电阻，由波段开关S1选择使用，电压比较器的基准电压由5V电源电压经R6、RP1、R7分压后得到，调节RP1可调整基准电压。当P1.2口在程序的控制下输出高电平时，电容CX即开始充电。量程电阻R2-R5每档以10倍递减，故每档显示读数以10倍递增。由于单片机内部P1.2口的上拉电阻经实测约为200K，其输出电平不能作为充电电压用，故用R5兼作其上拉电阻，由于其它三个充电电阻和R5是串联关系，因此R2、R3、R4应由标准值减去1K，分别为999K、99K、9K。由于999K和1M相对误差较小，所以R2还是取1M。

数码管DS1-DS4、电阻R8-R14等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，用软件对字形码译码。P3.0-P3.5、P3.7口作数码显示七段笔划字形码的输出，P1.3-P1.6口作四个数码管的动态扫描位驱动码输出。这里采用了共阴数码管，由于AT89C2051的P1.3-P1.6口有25mA的下拉电流能力，所以不用三极管就能驱动数码管。R8-R14为P3.0-P3.5、P3.7口的上拉电阻，用以驱动数码管的各字段，当P3的某一端口输出低电平时其对应的字段笔划不点亮，而当其输出高电平时，则对应的上拉电阻即能点亮相应的字段笔划。

软件设计

程序使用C语言编写，详细源程序见本刊网站。

程序由主程序、定时中断服务子程序等模块组成。定时器T0作被测电容器充电时间的计数用。定时器T1用于定时中断服务，定时时间为5ms，即5ms产生一次中断。数组BitTab[4] 用来存储位驱动码，DispTab[11] 用来存储字形码，数组DispBuf[4]的4个元素分别用来存储从定时器T0读出的数据的个、十百千位的4位数字。

程序显示每一位数码的时间为5ms，因此显示完整的4位数的周期为20ms(4次中断)。每过240ms(48次中断)刷新一下数据，即每过240ms测一下电容量，测量时间小于2ms，由于这一时间小于中断的时间5ms，因此在测量过程中不会出现中断现象。测量电容时P1.2口输出高电平，电容开始充电，与此同时定时器T0开始计数，当电容器充电达到基准电压时，P3.6口输出高电平，据此程序作出判断停止T0的计数，并读出数据送数码管显示。如果被测电容器的容量超出测试档的量程，则计数值大于或等于2000，显示结果为千位数显示1，其它三位数不显示，这和数字万用表超过量程的显示模式相同。这时可选择大一档的量程进行测试。

经仿真和电路测试，发现单片机判断P3.6口是否输出高电平要化3个机器周期，这会使显示值增加3，因此在程序中对此误差进行了修正，对计数值减去了3。

字形码的输出用了P3口的P3.0-P3.5、P3.7，P3.6为空，P3口输出的数据通过数组DispTab[11]获得。数据