單片機(jī)電容表源程序與Proteus仿真電路圖

ID:845605 · 發(fā)表于 2021-6-24 16:33

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(guò)簡(jiǎn)易數(shù)字電容表的設(shè)計(jì)，提高運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)小型電子系統(tǒng)的能力。
二、內(nèi)容
運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易數(shù)字電容表，具體指標(biāo)要求如下：
（1）基本要求
①測(cè)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(jìn)制數(shù)；
③測(cè)試精度：≤5%（或±2字）；
④測(cè)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(cè)試精度：≤1%（或±1字）；
②自制符合要求電源。
三、設(shè)計(jì)過(guò)程
（一）設(shè)計(jì)原理分析
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)試原理見圖8.1。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（原理參見實(shí)踐五公式1）。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1KΩ，CX兩端電壓上升到0.632E+所需的時(shí)間為1mS（1000uS），那么由公式τ=RC可知CX的容量為1uF（1000nF），同理若測(cè)試電容為2000nF，則時(shí)間常數(shù)τ為2000uS。因此，時(shí)間常數(shù)τ就可以直接表示為電容的容量。
設(shè)計(jì)中需要一個(gè)精確的電壓比較器，充電開始時(shí)單片機(jī)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)充電電壓達(dá)到0.632E+時(shí)，為單片機(jī)提供中斷而停止計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)，就是電容器的容量。為了多次測(cè)量，第二次需要對(duì)電容完全放電，再進(jìn)行第二次測(cè)量，如此循環(huán)。
（二）單片機(jī)的選擇
從原理分析可知，對(duì)單片機(jī)的資源要求很低，不需要很多的端口和較大的存儲(chǔ)空間，確需要一個(gè)電壓比較器。T89C2051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。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(jì)
（1）測(cè)量比較器設(shè)計(jì)
測(cè)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(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內(nèi)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。
（2）整機(jī)電路設(shè)計(jì)
整機(jī)電路見圖8.3。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。
（四）軟件設(shè)計(jì)
程序使用C語(yǔ)言編寫，詳細(xì)源程序見附錄。
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，電容開始充電，與此同時(shí)定時(shí)器T0開始計(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)位和字形的對(duì)應(yīng)關(guān)系表8.1所示，因?yàn)閿?shù)碼管為共陰型，所以相應(yīng)的輸出位為1時(shí)筆段亮。
表8.1數(shù)據(jù)位和字形的對(duì)應(yīng)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(shí)也可用萬(wàn)能印刷電路板制作。IC1用AT89C2051單片機(jī)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(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。
安裝后的調(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)精度比較高的電容器的測(cè)量進(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，如一只15nF的電容器，將S1置于20nF檔，調(diào)節(jié)RP1使測(cè)量顯示值為1500。選擇的電容器容量至少要大于相應(yīng)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(zhǔn)確。該檔調(diào)試好后其它各檔也就相應(yīng)的調(diào)好了，如果發(fā)現(xiàn)某檔精度有問(wèn)題可改變其相應(yīng)的充電電阻阻值進(jìn)行調(diào)整。

在使用過(guò)程中，當(dāng)S1置于2nF檔時(shí)，在沒有放入測(cè)試電容器時(shí)有10pF左右的顯示值為正�，F(xiàn)象，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)減去這一數(shù)值即可。因此在調(diào)試時(shí)也不要選擇該檔，以免分布電容影響調(diào)試的準(zhǔn)確性。

單片機(jī)源程序如下: