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1 設計任務(wù) 設計并制作一個(gè)數字電容表，系統實(shí)現的功能及要求如下： (1)設計的電容表可測量容量小于2μF的電容。 (2)設計的電容表采用3位半數字顯示，最大顯示值為1 999。 (3)設計的電容表讀數單位統一采用nF，量程分4檔，實(shí)際電容值為讀數乘以相應的倍率。 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(jiǎn)單、調試也相對方便。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，顯示驅動(dòng)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(shí)再傳送一次數據。 此方案編程容易，管理簡(jiǎn)單，顯示亮度高，顯示數據穩定，占用很少的CPU時(shí)間。但是引線(xiàn)較多，線(xiàn)路復雜，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)刻對顯示器件進(jìn)行數據刷新，顯示數據會(huì )有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節省線(xiàn)路板空間。 這兩種顯示方式各有利弊，靜態(tài)顯示雖然數據穩定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨的顯示驅動(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，能節省線(xiàn)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(jiǎn)介 AT89C2051是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含2 KB可反復擦寫(xiě)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(shù)生產(chǎn)，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(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。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(jiàn)圖3。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(shí)間的增加而上升。當充電時(shí)間t等于RC時(shí)間常數τ時(shí)，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(shí)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(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(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(guò)程中，P3．6口輸出為0，當電池電壓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，用AT89C2051內部的定時(shí)器T0對充電時(shí)間進(jìn)行計數，再將計數結果顯示出來(lái)即得出測量結果。 整機電路見(jiàn)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(kāi)關(guān)S1選擇使用，電壓比較器的基準電壓由5 V電源電壓經(jīng)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(shí)，電容Cx即開(kāi)始充電。量程電阻R2～R5每檔以10倍遞減，故每檔顯示讀數以10倍遞增。由于單片機內部P1．2口的上拉電阻經(jīng)實(shí)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(gè)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(dòng)態(tài)掃描顯示的方式，用軟件對字形碼譯碼。P3．0～P3．5，P3．7口作數碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，P1．3～P1．6口作四個(gè)數碼管的動(dòng)態(tài)掃描位驅動(dòng)碼輸出。在此采用了共陰數碼管，由于A(yíng)T89C2051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(dòng)數碼管。R8～R14為P3．0～P3．5，P3．7口的上拉電阻，用以驅動(dòng)數碼管的各字段，當P3的某一端口輸出低電平時(shí)其對應的字段筆劃不點(diǎn)亮，而當其輸出高電平時(shí)，則對應的上拉電阻即能點(diǎn)亮相應的字段筆劃。 5 軟件設計 程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)。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作被測電容器充電時(shí)間的計數用。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。數組BitTab用來(lái)存儲位驅動(dòng)碼，DispTab[11]用來(lái)存儲字形碼，數組DispBtlf的4個(gè)元素分別用來(lái)存儲從定時(shí)器T0讀出的數據的個(gè)、十百千位的4位數字。程序顯示每一位數碼的時(shí)間為5 ms，因此顯示完整的4位數的周期為20 ms(4次中斷)。每過(guò)240 ms(48次中斷)刷新一下數據，即每過(guò)240 ms測一次電容量，測量時(shí)間小于2 ms，由于這一時(shí)間小于中斷的時(shí)間5 ms，因此在測量過(guò)程中不會(huì )出現中斷現象。測量電容時(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)始計數，當電容器充電達到基準電壓時(shí)，P3．6口輸出高電平，據此程序做出判斷停止T0的計數，并讀出數據送數碼管顯示。如果被測電容器的容量超出測試檔的量程，則計數值大于或等于2 000，顯示結果為千位數顯示1，其他三位數不顯示。經(jīng)仿真和電路測試，發(fā)現單片機判斷P3．6口是否輸出高電平要花3個(gè)機器周期，這會(huì )使顯示值增加3，因此在程序中對此誤差進(jìn)行了修正，對計數值減去了3。字形碼的輸出用了P3口的P3．0～P3．5，P3．7，P3．6為空，P3口輸出的數據通過(guò)數組DispTab獲得。數據位和字形的對應關(guān)系如表1所示。 6 安裝與調試 該設計用AT89C2051單片機集成電路，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數碼管。安裝前先將C語(yǔ)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(xiě)入AT89C2051芯片。調試工作主要是通過(guò)對RP1的調節來(lái)調整基準電壓，最好是通過(guò)對一個(gè)精度比較高的的電容器的測量來(lái)進(jìn)行調節，而不是直接測量基準電壓。具體方法是，選一個(gè)經(jīng)確認容量比較準確的電容器，如15 nF的電容器，將S1置于20 nF檔上，調節RP1是測量顯示值為1 500。選擇的電容器容量至少要大于相應量程的50％，最好是接近滿(mǎn)量程，才能調得比較準確。該檔調試好后其他各檔也就調試好了。如果發(fā)現某檔精度有問(wèn)題，可改變其相應充電電阻的阻值來(lái)進(jìn)行調整。在使用過(guò)程中，當S1置于2 nF檔時(shí)，在沒(méi)有接人測試電容器時(shí)，有10 pF左右的顯示值是正常的，因為這是電壓比較器的輸入電容和電路的分布電容。 只要在測量讀數時(shí)間去掉這一數值即可。因此在調試時(shí)不要選擇該檔，以免因分布電容影響調試得準確性。 C文件源程序如下： |
