仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）
通過簡易數(shù)字電容表的設(shè)計，提高運用單片機設(shè)計小型電子系統(tǒng)的能力。
二、內(nèi)容
運用單片機設(shè)計一簡易數(shù)字電容表，具體指標要求如下：
（1）基本要求
①測量范圍：1pF～2000pF、10pF～20nF、0.1nF～200nF、1nF～2000nF（量程可以自定）；
②顯示方式：四位LED十進制數(shù)；
③測試精度：≤5%（或±2字）；
④測量電容類型：瓷介電容、滌綸電容、電解電容等；
（2）發(fā)揮部分
①測試精度：≤1%（或±1字）；
②自制符合要求電源。
三、設(shè)計過程
（一）設(shè)計原理分析
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8.1。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間的增加而上升（原理參見實踐五公式1）。當充電時間t等于RC時間常數(shù)τ時，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(shè)電阻R的阻值為1KΩ，CX兩端電壓上升到0.632E+所需的時間為1mS（1000uS），那么由公式τ=RC可知CX的容量為1uF（1000nF），同理若測試電容為2000nF，則時間常數(shù)τ為2000uS。因此，時間常數(shù)τ就可以直接表示為電容的容量。
設(shè)計中需要一個精確的電壓比較器，充電開始時單片機開始計數(shù)，當充電電壓達到0.632E+時，為單片機提供中斷而停止計數(shù)，將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就是電容器的容量。為了多次測量，第二次需要對電容完全放電，再進行第二次測量，如此循環(huán)。
（二）單片機的選擇
從原理分析可知，對單片機的資源要求很低，不需要很多的端口和較大的存儲空間，確需要一個電壓比較器。T89C2051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，如能用來處理模擬量、進行簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換等。P1、P3口足以滿足顯示和控制需要，因此作為首選。
（三）電路設(shè)計
（1）測量比較器設(shè)計
測量電路如圖8.2所示。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(jié)果存入P3.6口對應的寄存器，P3.6口在AT89C2051內(nèi)部無引腳。電壓比較器的基準電壓設(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，當電池電壓CX兩端電壓一旦超過0.632E+時，P3.6口輸出變?yōu)?。以P3.6口的輸出電平為依據(jù)，用AT89C2051內(nèi)部的定時器T0對充電時間進行計數(shù)，再將計數(shù)結(jié)果顯示出來即得出測量結(jié)果。
（2）整機電路設(shè)計
整機電路見圖8.3。電路由單片機電路、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(shù)以10倍遞增。由于單片機內(nèi)部P1.2口的上拉電阻經(jīng)實測約為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，由于其它三個充電電阻和R5是串聯(lián)關(guān)系，因此R2、R3、R4應由標準值減去1K，分別為999K、99K、9K。由于999K和1M相對誤差較小，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。本機采用動態(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口作四個數(shù)碼管的動態(tài)掃描位驅(qū)動碼輸出。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)動數(shù)碼管。R8~R14為P3.0~P3.5、P3.7口的上拉電阻，用以驅(qū)動數(shù)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。
（四）軟件設(shè)計
程序使用C語言編寫，詳細源程序見附錄。
程序由主程序、定時中斷服務子程序等模塊組成。定時器T0作被測電容器充電時間的計數(shù)用。定時器T1用于定時中斷服務，定時時間為5mS，即5mS產(chǎn)生一次中斷。數(shù)組BitTab[4] 用來存儲位驅(qū)動碼，DispTab[11] 用來存儲字形碼，數(shù)組DispBuf[4]的4個元素分別用來存儲從定時器T0讀出的數(shù)據(jù)的個、十百千位的4位數(shù)字。
程序顯示每一位數(shù)碼的時間為5mS，因此顯示完整的4位數(shù)的周期為20mS（4次中斷）。每過240mS（48次中斷）刷新一下數(shù)據(jù)，即每過240mS測一下電容量，測量時間小于2mS，由于這一時間小于中斷的時間5mS，因此在測量過程中不會出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。測量電容時P1.2口輸出高電平，電容開始充電，與此同時定時器T0開始計數(shù)，當電容器充電達到基準電壓時，P3.6口輸出高電平，據(jù)此程序做出判斷停止T0的計數(shù)，并讀出數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示。如果被測電容器的容量超出測試檔的量程，則計數(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)字萬用表超過量程的顯示模式相同。這時可選擇大一檔的量程進行測試。
經(jīng)仿真和電路測試，發(fā)現(xiàn)單片機判斷P3.6口是否輸出高電平要化3個機器周期，這會使顯示值增加3，因此在程序中對此誤差進行了修正，對計數(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)通過數(shù)組DispTab[11]獲得。數(shù)據(jù)位和字形的對應關(guān)系表8.1所示，因為數(shù)碼管為共陰型，所以相應的輸出位為1時筆段亮。
表8.1數(shù)據(jù)位和字形的對應關(guān)系表
四、安裝與調(diào)試
印刷電路板圖見圖8.4，制作雙面板有困難時也可用萬能印刷電路板制作。IC1用AT89C2051單片機集成電路，X1用12MHz的石英晶體，S1選用1×4的波段開關(guān)，DS1~DS4選用共陰LED數(shù)碼管，其余元器件的參數(shù)見圖8.3。
安裝前先將C語言源程序用KEIL 51編譯成目標文件即HEX文件，再用編程器將HEX文件寫入AT89C2051芯片。
安裝后的調(diào)試工作主要是通過對RP1的調(diào)節(jié)來調(diào)整基準電壓，最好是通過對一個精度比較高的電容器的測量進行調(diào)節(jié)，而不是直接測量基準電壓。具體方法是選一個經(jīng)確認容量比較準確的電容器，如一只15nF的電容器，將S1置于20nF檔，調(diào)節(jié)RP1使測量顯示值為1500。選擇的電容器容量至少要大于相應量程的一半，最好是接近滿量程，這樣才能使調(diào)節(jié)比較準確。該檔調(diào)試好后其它各檔也就相應的調(diào)好了，如果發(fā)現(xiàn)某檔精度有問題可改變其相應的充電電阻阻值進行調(diào)整。
在使用過程中，當S1置于2nF檔時，在沒有放入測試電容器時有10pF左右的顯示值為正常現(xiàn)象，因為這是電壓比較器的輸入電容和電路的分布電容，只要在測量讀數(shù)時減去這一數(shù)值即可。因此在調(diào)試時也不要選擇該檔，以免分布電容影響調(diào)試的準確性。
單片機源程序如下:
- #include <reg51.h>
- unsigned char j,n,t,DispBuf[4];
- unsigned int cap;
- unsigned char code
- BitTab[4]={0xbf,0xdf,0xef,0xf7};//位驅(qū)動碼
- unsigned char code
- DispTab[11]={0xfe,0x70,0xed,0xf9,0x73,0xdb,0xdf,0xf0,0xff,0xfb,0x40};//字形碼
- sbit P1_2=P1^2;
- sbit P3_6=P3^6;
- main() //主程序
- { TMOD=0x11;//定時器T0、T1均工作于定時方式1
- TH1=0xec;
- TL1=0x78;//T1定時時間為5ms
- IE=0x88; //開中斷
- TR1=1; //開定時器T1
- for(;;) //無限循環(huán)，定時中斷返回點
- ;
- }
- Timer1() interrupt 3//定時中斷服務程序
- { TH1=0xec;
- TL1=0x78;
- t=BitTab[j];//取位值
- P1=P1|0x78;//P1.3-P1.6送1
- P1=P1&t; //P1.3-P1.6輸出取出的位值
- t=DispBuf[j];//取出待顯示的數(shù)
- t=DispTab[t];//取字形碼
- P3=t; //字型碼由P3輸出顯示
- j++; //j作為數(shù)碼管的計數(shù)器,取值0-3,顯示程序通過它確認顯示哪個數(shù)碼管
- if(j==4)
- j=0;
- n++;
- if(n==48)//每過48個中斷測一次電容量
- {
- n=0;
- TH0=0;
- TL0=0;
- P1_2=1;//電容開始充電
- TR0=1; //開定時器T0
- for(;P3_6==0;)//判斷充電電壓達到參考電壓否
- ;
- TR0=0;//充電電壓達到參考電壓,關(guān)定時器T0
- P1_2=0;
- cap=TL0|(TH0<<8);//取定時器T0中的數(shù)值
- cap=cap-3;//修正誤差
- if(cap>=2000)
- {
- DispBuf[3]=10;
- DispBuf[2]=10;
- DispBuf[1]=10;
- DispBuf[0]=1; //超量程,最高位顯示1,其余各位不顯示(滅)
- }
- if(cap<2000) //不超量程,取各位數(shù)值
- {
- DispBuf[3]=cap%10;//取個位數(shù)
- cap=cap/10;
- DispBuf[2]=cap%10;//取十位數(shù)
- cap=cap/10;
- DispBuf[1]=cap%10;//取百位數(shù)
- DispBuf[0]=cap/10;//取千位數(shù)
- }
- }
- }
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2021-6-24 16:33 上傳
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