基于單片機的數字電容表設計

　　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，測試原理見圖3。電源電壓E+經電阻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。當充電時間t等于RC時間常數τ時，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口輸出變為1。以P3．6口的輸出電平為依據，用AT89C2051內部的定時器T0對充電時間進行計數，再將計數結果顯示出來即得出測量結果。

　　整機電路見圖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，由波段開關S1選擇使用，電壓比較器的基準電壓由5 V電源電壓經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，電容Cx即開始充電。量程電阻R2～R5每檔以10倍遞減，故每檔顯示讀數以10倍遞增。由于單片機內部P1．2口的上拉電阻經實測約為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，由于其他三個充電電阻和R5是串聯關系，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。本機采用動態掃描顯示的方式，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口作四個數碼管的動態掃描位驅動碼輸出。在此采用了共陰數碼管，由于AT89C2051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數碼管。R8～R14為P3．0～P3．5，P3．7口的上拉電阻，用以驅動數碼管的各字段，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。