用AT89C2051单片机制作的数字电容表
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，如能用来处理模拟量、进行简单的模数转换等。本文利用这一功能设计了一个数字电容表，可测量容量小于2微法的电容器的容量，采用3位半数字显示，最大显示值为1999，读数单位统一采用毫微法（nf），量程分四档，读数分别乘以相应的倍率。
电路工作原理
本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1。电源电
图1
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1千欧，CX两端电压上升到0.632E+所需的时间为1毫秒，那么由公式τ=RC可知CX的容量为1微法。
测量电路如图2所示。A为AT89C2051内部构造的电压比较器，AT89C2051
图2
的P1.0和P1.1口除了作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，P3.6口在AT89C2051外部无引脚。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3。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。
图3
AT89C2051内部的电压比较器和电阻R2-R7等组成测量电路，其中R2-R5为量程电阻，由波段开关S1选择使用，电压比较器的基准电压由5V电源电压经R6、RP1、R7分压后得到，调节RP1可调整基准电压。当P1.2口在程序的控制下输出高电平时，电容CX即开始充电。量程电阻R2-R5每档以10倍递减，故每档显示读数以10倍递增。由于单片机内部P1.2口的上拉电阻经实测约为200K，其输出电平不能作为充电电压用，故用R5兼作其上拉电阻，由于其它三个充电电阻和R5是串联关系，因此R2、R3、R4应由标准值减去1K，分别为999K、99K、9K。由于999K和1M相对误差较小，所以R2还是取1M。
数码管DS1-DS4、电阻R8-R14等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，用软件对字形码译码。P3.0-P3.5、P3.7口作数码显示七段笔划字形码的输出，P1.3-P1.6口作四个数码管的动态扫描位驱动码输出。这里采用了共阴数码管，由于AT89C2051的P1.3-P1.6口有25mA的下拉电流能力，所以不用三极管就能驱动数码管。R8-R14为P3.0-P3.5、P3.7口的上拉电阻，用以驱动数码管的各字段，当P3的某一端口输出低电平时其对应的字段笔划不点亮，而当其输出高电平时，则对应的上拉电阻即能点亮相应的字段笔划。
软件设计
程序使用C语言编写。完整程序如下：
#include ﹤reg51.h﹥
unsigned char j,n,t,DispBuf[4];
unsigned int cap;
unsigned char code
BitTab[4]={0xbf,0xdf,0xef,0xf7};//位驱动码
unsigned char code
DispTab[11]={0xfe,0x70,0xed,0xf9,0x73,0xdb,0xdf,0xf0,0xff,0xfb,0x40};//字形码
sbit P1_2=P1^2;
sbit P3_6=P3^6;
main() //主程序
{TMOD=0x11;//定时器T0、T1均工作于定时方式1
TH1=0xec;
TL1=0x78;//T1定时时间为5ms
IE=0X88; //开中断
TR1=1; //开定时器T1
for(;;) //无限循环，定时中断返回点
}
Timer1() interrupt 3//定时中断服务程序
{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输出取出的位值
t=DispBuf[j];//取出待显示的数
t=DispTab[t];//取字形码
P3=t; //字型码由P3输出显示
j++; //j作为数码管的计数器,取值0-3,显示程序通过它确认显示哪个数码管
if(j==4)
j=0;
n++;
if(n==48)//每过48个中断测一次电容量
{
n=0;
TH0=0;
TL0=0;
P1_2=1;//电容开始充电
TR0=1; //开定时器T0
for(;P3_6==0;)//判断充电电压达到参考电压否
TR0=0;//充电电压达到参考电压,关定时器T0
P1_2=0;
cap=TL0|(TH0﹤﹤8);//取定时器T0中的数值
cap=cap-3;//修正误差
if(cap﹥=2000)
DispBuf[3]=10;
DispBuf[2]=10;
DispBuf[1]=10;
DispBuf[0]=1; //超量程,最高位显示1,其余各位不显示(灭)
if(cap﹤2000) //不超量程,取各位数值
DispBuf[3]=cap%10;//取个位数
cap=cap/10;
DispBuf[2]=cap%10;//取十位数
cap=cap/10;
DispBuf[1]=cap%10;//取百位数
DispBuf[0]=cap/10;//取千位数
程序由主程序、定时中断服务子程序等模块组成。定时器T0作被测电容器充电时间的计数用。定时器T1用于定时中断服务，定时时间为5ms，即5ms产生一次中断。数组BitTab[4] 用来存储位驱动码，DispTab[11] 用来存储字形码，数组DispBuf[4]的4个元素分别用来存储从定时器T0读出的数据的个、十百千位的4位数字。
程序显示每一位数码的时间为5ms，因此显示完整的4位数的周期为20ms（4次中断）。每过240ms（48次中断）刷新一下数据，即每过240ms测一下电容量，测量时间小于2ms，由于这一时间小于中断的时间5ms，因此在测量过程中不会出现中断现象。测量电容时P1.2口输出高电平，电容开始充电，与此同时定时器T0开始计数，当电容器充电达到基准电压时，P3.6口输出高电平，据此程序作出判断停止T0的计数，并读出数据送数码管显示。如果被测电容器的容量超出测试档的量程，则计数值大于或等于2000，显示结果为千位数显示1，其它三位数不显示，这和数字万用表超过量程的显示模式相同。这时可选择大一档的量程进行测试。
经仿真和电路测试，发现单片机判断P3.6口是否输出高电平要化3个机器周期，这会使显示值增加3，因此在程序中对此误差进行了修正，对计数值减去了3。
字形码的输出用了P3口的P3.0-P3.5、P3.7，P3.6为空，P3口输出的数据通过数组DispTab[11]获得。数据位和字形的对应关系如下表所示，因为数码管
数据位 P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0 字形码
笔段位 A 空 B C D E F G
数字 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0xfe
1 0 1 1 1 0 0 0 0 0x70
2 1 1 1 0 1 1 0 1 0xed
3 1 1 1 1 1 0 0 1 0xf9
4 0 1 1 1 0 0 1 1 0x73
5 1 1 0 1 1 0 1 1 0xdb
6 1 1 0 1 1 1 1 1 0xdf
7 1 1 1 1 0 0 0 0 0xf0
8 1 1 1 1 1 1 1 1 0xff
9 1 1 1 1 1 0 1 1 0xfb
不显示 0 1 0 0 0 0 0 0 0x40
为共阴型，所以相应的输出位为1时笔段亮。
安装与调试
印刷电路板图见图4，制作双面板有困难时也可用万能印刷电路板制作。IC1
图4
用AT89C2051单片机集成电路，X1用12MHz的石英晶体，S1选用1×4的波段开关，DS1-DS4选用共阴LED数码管。其余元器件的参数见图3。
安装前先将C语言源程序用KEIL 51编译成目标文件即HEX文件，再用编程器将HEX文件写入AT89C2051芯片。
安装后的调试工作主要是通过对RP1的调节来调整基准电压，最好是通过对一个精度比较高的电容器的测量进行调节，而不是直接测量基准电压。具体方法是选一个经确认容量比较准确的电容器，如一只15nf的电容器，将S1置于20nf档，调节RP1使测量显示值为1500。选择的电容器容量至少要大于相应量程的一半，最好是接近满量程，这样才能使调节比较准确。该档调试好后其它各档也就相应的调好了，如果发现某档精度有问题可改变其相应的充电电阻阻值进行调整。
在使用过程中，当S1置于2nf档时，在没有放入测试电容器时有10pf左右的显示值为正常现象，因为这是电压比较器的输入电容和电路的分布电容，只要在测量读数时减去这一数值即可。因此在调试时也不要选择该档，以免分布电容影响调试的准确性。
