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基于AT89C2051单片机的数字电容表设计

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设计任务

设计并制作一个数字电容表,系统实现的功能及要求如下:
     (1)设计的电容表可测量容量小于2μF的电容。
     (2)设计的电容表采用3位半数字显示,最大显示值为1 999。
     (3)设计的电容表读数单位统一采用nF,量程分4档,实际电容值为读数乘以相应的倍率。

2 方案论证

2.1 电路方案

(1)方案一:基本电路搭建

用基本电路来实现数字显示的电容表,电路结构复杂,故障系数大,不易调试,误差也较大。

(2)方案二:单片机编程

用单片机设计电路,由于使用软硬件结合的方式,所以电路结构简单、调试也相对方便。与第一种方案比较优点是非常明显的。

2.2 显示方案

(1)方案一:静态显示

静态显示,显示驱动电路具有输出锁存功能,单片机将所要显示的数据送出后就不用再管,直到下一次显示数据需要更新时再传送一次数据。

此方案编程容易,管理简单,显示亮度高,显示数据稳定,占用很少的CPU时间。但是引线较多,线路复杂,硬件成本较高。

(2)方案二:动态显示

动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新,显示数据会有闪烁感,占用的CPU时间多,但使用的硬件少,能节省线路板空间。

这两种显示方式各有利弊,静态显示虽然数据稳定,占用很少的CPU时间,但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路,使用的硬件较多;动态显示虽然有闪烁感,占用的CPU时间多,但使用的硬件少,能节省线路板空间。

2.3 系统框图

根据上述分析,该系统以AT89C2051单片机为核心,系统框图如图1所示。

3 AT89C205l简介

AT89C2051是Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机,片内含2 KB可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 B的随机数据存储器。器件采用AtmeI公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS51指令系统,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。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。引脚图如图2所示。

4 电路工作原理

该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3。电源电压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 kΩ,CX两端电压上升到0.632E+所需的时间为1 ms,那么由公式τ=RC可知CX的容量为1微法。具体测量电路如图4所示。

图4中,A为AT89C2051内部构造的电压比较器,AT89C2051的P1.0和P1.1口除了作为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。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5。电路由单片机电路、电容充电测量电路和数码显示电路等部分组成。

 

作者:陈世夏 吴凌燕 丁国臣   来源:现代电子技术

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