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简易自动电阻测试仪报告


2011 年全国大学生电子设计竞赛

简易自动电阻测试仪( 简易自动电阻测试仪(G 题)

【高职高专组】 高职高专组

2011 年 9 月 1 日

简易自动电阻测试仪
摘 要 电阻是现代电子电路中最常用最常见的电子元件之一,因此对电阻的测量是经 常性的工作。根据本届全国电子设计竞赛G

题的要求,本系统利用 STC 公司的16位超低 功耗单片机 STC12C5A32S2、CD7501和LM358,采用伏安法设计了简易自动电阻测试仪。 简易自动电阻测试仪具有:1、阻值测量精确(精度为读数的±1%+2字) ,2、自动选择 合适量程的功能,3、电阻筛选功能,4、数码显示。实验测试结果表明,本系统性能稳 定,测量精度高。 关键词 电阻 测量仪 电子仪器 自动量程转换





一、总体方案设计 .................................................................... 2 1.1 电阻测量方法选择 ........................................................................................................................... 2 1.2 系统整体模块设计 ........................................................................................................................... 2 二、理论计算与参数.......................................................................................................................................2 2.1 基准电阻计算选择.............................................................................................................................2 2.2 量程切换参数计算.............................................................................................................................2 三、单元电路设计 .................................................................... 2 3.1 六路自动量程切换电路选择 .......................................................................................................... 2 3.2 恒流源的设计 ................................................................................................................................. 4 3.3 单片机的选择与论证 ..................................................................................................................... 4 3.4 显示模块的论证与选择 ................................................................................................................. 5 四、软件设计 ........................................................................ 5 4.1 单片机资源分配 .............................................................. 5 4.2 软件延时程序. ............................................................... 5 4.3 按键键值读取程序 ............................................................ 6 4.4 ADC 初始化程序 ............................................................... 6 4.5 ADC 采样驱动程序 ............................................................. 6 4.6 被测电阻值计算程序 .......................................................... 7 五、系统测试 ........................................................................ 9 5.1 测试方案 .......................................................................................................................................... 9 5.2 测试条件与仪器 .............................................................................................................................. 9 5.3 测试结果及分析 .............................................................................................................................. 9 附录 1:测试电路实物图 .............................................................. 10 附录 2:电路原理图 .................................................................. 13 附录 3:源程序 ...................................................................... 14

一、总体方案设计
1.1 电阻测量方法选择
方案一:交流电桥测量法 交流电桥的构造及原理均与直流惠斯通电桥相同,电源使用交流电,四臂的阻抗 Z1、Z2、Z3、 Z4,可以用电阻、电感、电容或其他组合,电桥平衡的条件是 Z1×Z2=Z3×Z4 此条件显示交流电桥 不同于直流电桥:首先条件有两个,因此,需要调节两个参数才能使电桥平衡;其次,阻抗的多样 性可以组合成各具特色的电桥,但非所有电桥都能同时满足达到平衡的条件。 方案二:LM358 恒流源测量法 该方法是给待测电阻提供一个恒定电流,利用单片机的 AD 采集其两端的电压来确定其电阻 值。此种方法简单易行,由于电阻变化范围是 100?~10M ,电压变化范围太大,而单片机 AD 输 入范围有限,所以至少需要六个挡才能实现要求的指标。 方案三:使用 VFC32 压频变换法 该方法的基本原理是将电阻的变化变成 0~10V 电压的变化,然后控制压频变换芯片产生线性变 化的频率值,单片机通过采集频率值来计算电阻大小。该方法电路简单,频率稳定,只需要两个档 位即可完成要求范围内电阻值的测量。 经过讨论,我们选择了方案二作为我们测量电阻的方案,即伏安法的恒流源测电阻方法。

1.2 系统整体模块设计
如图所示,本系统主要由基准电阻矩阵模块、自动量程切换模块、恒流源模块、单片机系统、 ADC 采样模块、数码显示模块、直流稳压电源、控制面板组成。 待测电阻 恒流源 ADC 采样 单 片 机 系 统

自动量程切换

基准电阻矩阵

控制面板

数 码 显 示

基准电阻矩阵:由精密电阻组成,提供六个量程 100Ω、1K、10K、100K、1M、10M 的对应的基准 电阻,其阻值分别为 340Ω、5K、50K、500K、5M、50M。 自动量程切换:根据被测电阻的大小,从六个基准电阻中选择最合适的基准电阻。 恒流源:由 LM358、被测电阻、稳压电源通过深度负反馈线形成恒流源。 ADC 采样:对 LM358 的输出端电压进行采样。 单片机系统:对采样数据进行处理,控制采样,控制量程自动切换。 控制面板:10MΩ量程选择,电源开关,键盘等组成。 数码显示:3 位数码管和两个 KΩ、MΩ单位显示 LED 灯组成。

二、理论计算与参数
2.1 基准电阻计算选择
欧姆定律可知:I=U/R,由于采用 7805 稳压块提供+5V 稳压电压,为方便计算,基 准值都采用量程的 5 倍阻值选择。

2.2 量程切换参数计算
由于基准电阻是量程的 5 倍阻值,因此,ADC 对电压采样后的值如果大于 205,则 需要扩大量程。

三、单元电路设计
3.1 六路自动量程切换电路选择 六路自动量程切换电路选择
方案一: 方案一:小型继电器 优势: 优势: 导通电阻小,继电器电路导通时,导通电阻只有 3~4 个欧姆,导通电阻几乎可以忽略 不计。 通过电流大,最大通过电流达到 2A。 动作可靠,小型继电器的闭合动作非常可靠。 劣势: 劣势: 体积较大,小型继电器是三种方案涉及器件中占用空间最大。 需要驱动电路,单片机的 P 口输出功率不能单独驱动继电器工作,须选用合适的驱 动电路。 频率不高,继电器受制于机械动作,使其动作频率不能太高。 运行噪声,小型继电器运行时产生噪声和电磁噪声。 方案二: 方案二:大功率开关管 优势: 优势: 导通电阻小,大功率开关管导通时, 导通电阻只有 15 个欧姆左右,导通电阻几乎可以 忽略不计。 通过电流大,最大通过电流达到 2A。

动作可靠,大功率开关管在控制电压的控制下,动作非常可靠。 劣势: 劣势: 体积较大,尤其需要附加散热片,散热片占用的空间比较大。价格贵,

大功率开头管,毎个价格一般在 35 元左右,如果采用六通道电路,导致成本上升。
+5V +12V S1 R1 500 S2 R2 5K S3 R3 50K S4 R4 500K S5 R5 5M S6 R6 50M -12V S1 S2 S3 S4 S5 S6 13 11 10 9 8 7 6 5 U1 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 VDD A0 A1 A2 GND EN OUT VSS 14 16 1 4 2 3 12 15 P2.4 P2.5 P2.0 OUT1

AD7805

六路自动量程切换电路

方案三: 方案三:CD7501/CD4501 八路模拟开关 优势: 优势: 体积小,八路通道集成在一块集成块上。 容易控制,单片机可以通过 P 口直接控制,切换方便。 、 占用资源小,采用译码方式,八路通道选择中用三根地址线即可实现选择。 动作可靠,在控制电压的控制下,动作非常可靠。 劣势: 劣势: 导通电阻较大,导通电阻达到 163 欧姆。 通过电流不大,导通时最大通过电流仅为 20mA。 结论: 结论: 通过对以上测试结果进行比较分析, 考虑导通电阻可以通过调整基准电阻进行有效 补偿,而切换电路正常工作时,通过电流不会超过 10mA,综合分析,自动量程切换电 路选用最优方案三,即以 CD7501/CD4501 八路模拟开关和基准电阻矩阵构成六路自动 量程切换电路,根据题目要求测量量程分为:100Ω,1KΩ,10KΩ,10MΩ,因此, 对应的基准电阻分别为:500,5K,50K,500K,5M,50M,对应的通道分别为 S1, S2,S3,S5,S6,S,具体电路如上图所示。

3.2 恒流源的设计
根据 I=U/R,通过提供基准电阻稳定的电压,只要电压源稳定不变,就可以获得恒定的电流。 如下图所示,恒流源 I(OUT1)与 LM358 的负相输入端相联,待测电阻 Rx 作为 LM358 的反馈电 阻接入,根据运算放大器深度负反馈虚短、虚断的概念,推导出 Rx=Uo/I,Uo 为 DVM。 、

3.3 单片机的选择与论证
方案一: 方案一:使用 AT89C51S2 使用 AT89C51S2 单片机作为系统的控制核心。单片机具有体积小,片上资源丰富,使用灵活, 易于人机对话,有较强的指令寻址和运算功能等优点,但是该单片机是 8 位机,运行速度比较慢, 功耗较高。 方案二: 方案二:使用 STC12C5A32S29 使用 STC12C5A32S29 单片机作为系统的控制核心。STC12C5A32S29 具有体积小,片上资源丰 富和 I/O 口多可复用的优点,最重要的是 STC12C5A32S29 是 16 位机,具有超低的功耗,而且本身 集成 8 路 10 位的 ADC,这是其他控制器不可比拟的优势。 结论: 结论: 在此系统中,我们经过细致的思考,最终选择了方案二,用 STC12C5A32S29 作为整个系统的 控制与计算中心,单片机系统电路设计如下图所示。
Rx +12V +12V U1 S1 S2 S3 S4 S5 S6 13 11 10 9 8 7 6 5 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 VDD A0 A1 A2 GND EN OUT VSS 14 16 1 4 2 3 12 15 OUT1 P2.4 P2.5 P2.0 OUT1 2 1 3 6 7 5 4 DVM 8 -12V R7 Rf 1K 1K -12V U2

AD7805

LM358 恒流源电路

+5V STC12C5A32S2 +5V P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 Y1 1 CY2 100pF 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P1.0 VCC P1.1 P0.0 P1.2 P0.1 P1.3 P0.2 P1.4 P0.3 P1.5 P0.4 P1.6 P0.5 P1.7 P0.6 RST P0.7 P3.0/RXD EA P3.1/TXD ALE P3.2/INIT0 PSEN P3.3/INTI P2.7 P3.4/T0 P2.6 P3.5/T1 P2.5 P3.6/WR P2.4 P3.7/RD P2.3 XT AL2 P2.2 XT AL1 P2.1 VSS P2.0 at89c51 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

C1 10uF

RST CY1 R8 1K 100pF 2

P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0

STC12C5A32S2 单片机系统电路

3.4 显示模块的论证与选择
方案一: 方案一:采用数码管显示 其优点是元件价格便宜,而且外围的电路简单。但是扫描占用大量的 I/O 口资源, 从而增大了

单片机的运算开销, 显示信息不丰富,功耗比较大。 方案二: 方案二:采用 LCD1602 液晶显示 其优点是显示方便,使用方便灵活,占用 I/O 口少,不需要循环扫描,节省了大量的程序开销, 但是其显示内容比较单一,所以放弃此方案。 方案三: 方案三:采用 12864LCD 液晶显示 其优点是显示信息非常丰富,可以很形象的显示设计者的所想,方便使用者使用,占用 I/O 口 少,不需要循环扫描,节省了大量的程序开销。 鉴于本系统的基本部分要求和发挥部分要求,在放弃发挥部分第二点的基础上,我们采用数码 管显示作为我们的显示模块,用自制的独立式键盘作为数据的输入部分,这样设计的初衷是减少程 序的编制难度使用。显示模块电路如下图所示。

数码管显示电路

四、软件设计 软件设计
4.1 单片机资源分配
//数码管显示位控制端,低电平有效 sbit data0=P2^1; sbit data1=P2^2; sbit data2=P2^3; //KorM 量程选择,低电平量程自动选择 100Ω,1KΩ和 10KΩ档,高电平量程是 10MΩ档 sbit KorMselect=P2^0; //量程选择开关控制端,A1A0 编码与选通通道的关系为:当 P2^0=0 时,00->S1,01->S2,10->S3; // 当 P2^0=1 时,00->S5,01->S6,10->S7。 sbit scaleseletor0=P2^4;//A0 sbit scaleseletor1=P2^5;//A1 //阻值单位设置 sbit uint_K=P2^6; //K 单位灯控制 sbit uint_M=P2^7; //M 单位灯控制

4.2 软件延时程序
void delay(unsigned int i) {

unsigned int x,y; for(x=200;x>0;x--) for(y=i;y>0;y--); }

4.3 按键键值读取程序
KorMselect=1; KorMselecttmp=KorMselect; if(KorMselecttmp==1) { delay(5); KorMselect=1; KorMselecttmp=KorMselect; if(KorMselecttmp==1) KorM_flag=1; } else KorM_flag=0;

4.4 ADC 初始化程序
void ADC_init() { P1ASF=0x01; //指定 P1.0 为 ADC 功能 ADC_CONTR=0; AUXR1=0x00; //转换结果位十位 ADC_CONTR=0xe0; //九十个机器周期为一个 AD 转换周期 delay(1); }

4.5 ADC 采样驱动程序
unsigned int ADProDC(uint m)//连续采样 m 次,并求 m 次采样平均值 { unsigned long adcbuf=0; unsigned long ad_result=0; unsigned int i=0; ADC_CONTR=0; //清除 ADC_CONTR ADC_CONTR&=0xf8; // 延时 ADC_CONTR|=0xe8;

while(m--) { adcbuf=0; ADC_RES = 0; //清 A/D 转换结果寄存器 高 8 位 ADC_RESL = 0; ADC_CONTR |= 0x08; //0000,1000ADCS = 1,启动转换 delay(1); while((ADC_CONTR&0x10)==0);//0001,0000 等待 A/D 转换结束 ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE7; //1110,0111 清 ADC_FLAG 位,停止 A/D 转//换 adcbuf=ADC_RES; adcbuf<<=2; //adcbuf 值左移 2 位 ADC_RESL&=0x03; //ADC_RESL 值保留低 2 位值 adcbuf+=ADC_RESL; // 计算十位采样值 ad_result+=adcbuf; // 采样值累加 i++; //采样次数加一 } adcbuf=(unsigned int)(ad_result/i); // 计算 i 次电压采样平均值 return adcbuf; //adcbuf 为返回值 }

4.6 被测电阻值计算程序
unsigned int SAMPtoRES(uint adcdata,int Smode) { float D1, D2; unsigned long databuf; int pen[4]={6,2,20,0}; //各量程补偿粗值 D1=(float)adcdata; //采样数据类型转换为浮点数 D1=D1/1023; D1=(D1*507); D1 = modf(D1, &D2); //分解 D1 值,整数部分存入 D2 中,小数部分是返回值 if(D2>=102) //溢出处理 D2=998-pen[Smode]; databuf=(unsigned int)D2; //数据类型转换为整型数 return databuf; }

4.7 数码管显示驱动程序
void RESTODISPLAY() { int data_pointor; //七段码表指针 int zero_flag=0; //第一位灭零标志

data_pointor=(x/100%10); switch(scale_mode) { case 0: //100 欧姆量程 if(data_pointor==0) //第一位灭零 { P0=0xff; zero_flag=1; } else { P0=tab[data_pointor]; zero_flag=0; } break; case 1: //1K 欧姆量程 P0=0x40; break; default: //10M 欧姆量程 P0=(tab[data_pointor]&0x7f); } data0=0; data2=1; delay(5); //显示第二位 data_pointor=(x/10%10); switch(scale_mode) { case 0: //100 欧姆量程 if(data_pointor==0&&zero_flag==1) //第二位灭零 P0=0xff; else P0=tab[data_pointor]; break; default: //1K、10K 欧姆量程 P0=(tab[data_pointor]); } data0=1; data1=0; delay(5); //显示第三位 data_pointor=x%10; P0=tab[data_pointor]; data1=1;

data2=0; delay(5); }

五、系统测试
5.1 测试方案
1、硬件测试 断开电源用万用表的蜂鸣档检测电路的通断、短路情况。 接通电源检测试电源电压是否供给个模块。 按信号流程或者按模块分开检测。 3、硬件软件联调 主要是在硬件部分加入软件后记录数据,用来实测误差大小以及电路稳定性。

5.2 测试条件与仪器
测试条件:检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,pcb 制版 是关键不容有丝毫错误,并保证硬件电路无虚焊,否则就要费很大功夫去检查。 测试仪器:高精度的数字万用表,模拟示波器,数字示波器,数字万用表,指针式 万用表。

5.3 测试结果及分析
5.3.1 测试结果 数据 测试结果(数据 数据)

实际数据 10Ω 30Ω 50Ω 70Ω 90Ω 30KΩ 50KΩ 100KΩ 500KΩ

显示数据 9.4 29.5 49.4 69.4 89.5 29.4 49.5 999.4 499.4 表一 未修正

实际数据 300Ω 500Ω 1kΩ 5KΩ 1MΩ 2MΩ 3MΩ 5MΩ 10MΩ

显示数据 294Ω 494Ω 999.5KΩ 4.5KΩ 999.5KΩ 2.5MΩ 2.4MΩ 4.5MΩ 9.5MΩ

实际数据 10Ω 30Ω 50Ω 100Ω 10KΩ 30KΩ 50KΩ 100KΩ 500KΩ

显示数据 10 29 49 9.99 9.99 0.03 0.05 9.99 0.50

实际数据 300Ω 500Ω 1kΩ 5KΩ 1MΩ 2MΩ 3MΩ 5MΩ 10MΩ

显示数据 0.3 0.5 9.99 5.01 9.99 2 3 5 9.99

表二

已修正

注:实际数据是由高精度数字万用表测试数据,显示数据是由制作电阻表显示。 为了减少误差本仪器使用了六个档位,为 100Ω档、1KΩ档、10KΩ档、100KΩ档、 1MΩ档、10MΩ档。100Ω档显示整数,为实际数值,1K 档显示 0.0X;10K 档显示 X.XX; 100K 档显示 0.0X;1MΩ档显示 0.XX;10M 显示 00X(0 为小数点位数,x 为显示的数值, 读出的数值均要乘以它的量程,1K 与 10K 的显示要乘以量程 1K,100K 档的显示-10M 档 要乘以量程 1M,超出量程均显示 999;)。

5.3.2 测试分析与结论 根据上述测试数据, 实际值总是大于显示值 0.5-0.6, 最后在显示程序中统一加 0.6, 出现表二,由此可以得出以下结论: 1、仪器精度达到1%读数+2 字 2、10KΩ能自动切换量程 3、3 位数字显示(最大显示为999),能自动显示小数点和单位。 综上所述,本设计达到设计要求。

附录 1:测试电路实物图 :

半成品

成品
附录 2:电路原理图 :


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