電阻測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)一、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 STC12C60S2該自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x以 STC12C60S2單片機(jī)為核心，利用分壓法測(cè)量原理，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，得到的采樣值經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量, 測(cè)量結(jié)果通過(guò)液晶進(jìn)行顯示。同時(shí)顯示篩選結(jié)果指示， “”表示被測(cè)電阻偏大， “ ok”表示被測(cè)電阻滿(mǎn)足篩選要求， “” 表示被測(cè)電阻偏小。1.1 重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容與實(shí)現(xiàn)方法本設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)主控系統(tǒng)、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、量程切換 電路、 液晶顯示模塊、鍵盤(pán)和電源模塊等構(gòu)成，其中硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是單片機(jī)主控系統(tǒng)、選擇

2、合適 A/D 轉(zhuǎn)換器、 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和量程切換電路， 設(shè)計(jì)難點(diǎn)是大功率、 高精度基準(zhǔn)電壓 源和電阻測(cè)量方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)主要是編寫(xiě)程序。需要完成系統(tǒng)初始化、檔位選擇、電阻測(cè)量、電阻值顯示、 鍵盤(pán)程序等工作。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是電阻測(cè)量算法和鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)。1.3.1 主控模塊在整個(gè)電路中，電阻值的測(cè)量、計(jì)算和顯示，量程的自動(dòng)換檔和鍵盤(pán)設(shè)置等復(fù)雜任務(wù) 的處理都要依靠單片機(jī)來(lái)完成， 采用一款我們可靠、 高性能的單片機(jī)， 是保證我們完成整個(gè) 任務(wù)的基石，所以我們選擇低電壓高性能的微控制器STC12C60S2。 STC12C60S2單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元， 利用 A/D 轉(zhuǎn)換器采集分壓電路的輸出電壓值

3、送入單片機(jī)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)送到液晶顯示模塊顯示。該設(shè)計(jì)采用分壓測(cè)量原理，加上16位 A/D 可有效的減小電阻的測(cè)量誤差?；趩纹瑱C(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)1.3.2 電阻測(cè)量方案電阻測(cè)量方案的選取直接關(guān)系到系統(tǒng)的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)計(jì)， 電阻測(cè)量目前 可有多種方案。方案：采用分壓法，通過(guò)測(cè)量分壓值，按照電阻分壓公式計(jì)算出。該方案電路穩(wěn)定，受 外界影響小，測(cè)量精度高，且測(cè)量范圍較寬。 另一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且設(shè)計(jì)周 期短，性?xún)r(jià)比高。1.3.3 電壓信號(hào)采集模塊方案：設(shè)置基準(zhǔn)電壓源電路，當(dāng)測(cè)試被測(cè)電阻時(shí)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓值，然后使用 A/D 轉(zhuǎn)換器 LTC1864模塊完成 A/D

4、 轉(zhuǎn)換，將所獲得的數(shù)字量送至單片機(jī)， 通過(guò)軟件對(duì)數(shù)字量進(jìn)行 處理，將所測(cè)值顯示在液晶顯示屏上，這個(gè)方法滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。1.3.4 檔位選擇模塊方案： 采用繼電器作為檔位開(kāi)關(guān)控制，繼電器是一種電控制器件。 它具有控制系統(tǒng) （又 稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路） 之間的互動(dòng)關(guān)系。采用 4 個(gè)繼電器分別控制不 同電阻測(cè)試檔位。 最主要的優(yōu)點(diǎn)是繼電器的觸點(diǎn)電阻很小， 毫歐級(jí)別， 可以滿(mǎn)足小電阻測(cè)量 時(shí)的精度要求。1.3.5 顯示模塊 方案：液晶屏顯示信息量大、字跡清晰、穩(wěn)定，美觀、視覺(jué)舒適，能夠顯示圖形和漢字， 滿(mǎn)足本系統(tǒng)的顯示要求。1.3.6 電源模塊方案：采用線性直流穩(wěn)壓電源

5、。線性穩(wěn)壓電源制作簡(jiǎn)單，輸出穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比較高?；趩纹瑱C(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)1.3.7基準(zhǔn)電壓模塊且是標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝兼容， 結(jié)構(gòu)新穎，1.3.9 自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)原理框圖自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)的原理框圖如圖 1-1基準(zhǔn)電壓源具有低電壓低功耗和低溫漂高精度的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)異，完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。1.3.8 各模塊方案確認(rèn)1）主控模塊：選用 STC12C60S22）電阻測(cè)量方案：電阻測(cè)量采用分壓測(cè)量法。3）信號(hào)采集模塊：信號(hào)采集電路選用A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換 LTC1864。4）檔位選擇模塊：采用繼電器作為檔位開(kāi)關(guān)控制。5）顯示模塊： 1206 液晶屏6）電源模塊：采用線性直流穩(wěn)壓電源。7）

6、基準(zhǔn)電壓模塊：基準(zhǔn)電壓源。所示。圖 1-1 自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)的原理框圖如上圖所示， 該設(shè)計(jì)的原理可以概括： 上電后， 可以通過(guò)模式選擇開(kāi)關(guān)選擇系統(tǒng)是處于基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)測(cè)量模式還是篩選模式。 系統(tǒng)處于測(cè)量模式時(shí)， 當(dāng)測(cè)試被測(cè)電阻時(shí)， 通過(guò)分壓電路和繼電器 切換電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓值， 然后使用 A/D 轉(zhuǎn)換器模塊完成 A/D轉(zhuǎn)換，將所獲得的數(shù)字量送 至單片機(jī)， 通過(guò)軟件對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理， 將所測(cè)阻值顯示在液晶顯示屏上。 如果被測(cè)電阻電 阻值超出儀表量程， 將啟動(dòng)報(bào)警電路； 系統(tǒng)處于篩選模式時(shí)， 先通過(guò)鍵盤(pán)輸入篩選值和篩選 誤差， 然后測(cè)試被測(cè)電阻， 液晶屏同時(shí)顯示被測(cè)電阻值和

7、篩選值及篩選誤差， 當(dāng)被測(cè)電阻偏 大，液晶屏顯示“” ，當(dāng)被測(cè)電阻滿(mǎn)足篩選要求，液晶屏顯示“ ok”，當(dāng)被測(cè)電阻偏小，液 晶屏顯示“” 。第2章 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 電阻測(cè)量原理分壓即電阻串聯(lián)分壓， 在電路中被測(cè)電阻 R1和一個(gè)高精度的已知基準(zhǔn)電阻 R2串聯(lián)， 并 在兩個(gè)電阻的兩端中一端加一個(gè)已知的高精度的基準(zhǔn)電壓V，設(shè) R1 兩端的電壓為 V1，R2兩端的電阻為 V2，分壓電路圖如圖 2-1 ，根據(jù)歐姆定律，R1/(R1+R2)*V=V1化簡(jiǎn)可得 R1=(V1*R2)/(V-V1)由于 V、R2已知， V1由模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算可得出被測(cè)電阻的阻圖 2-1 分

8、壓電路圖自動(dòng)換檔原理和每檔精確分壓電阻的計(jì)算方法換檔電路由五個(gè)繼電器電路組成， 換檔過(guò)程可以概括如下： 首先通過(guò)單片機(jī)將全量程檔 位接通， 對(duì)電阻進(jìn)行一次粗測(cè)。 然后單片機(jī)根據(jù)粗測(cè)結(jié)果， 將繼電器切換至合適量程的檔位， 對(duì)電阻進(jìn)行精確測(cè)量 (其實(shí)可以首先用最大電阻檔進(jìn)行粗測(cè)， 然后換用合適檔位即可。 這是 本設(shè)計(jì)的方案選取的一個(gè)缺陷) 。每檔分壓電阻的選取直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的精度， 由于被測(cè)電阻分得的電壓要送往 A/D 轉(zhuǎn)換器， 為了獲得足夠的精度， 必須保證每檔位的最大被測(cè)電阻分得的電壓至少為基準(zhǔn)電壓基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)的 90%以上。對(duì)于全量程檔位的分壓電阻除了滿(mǎn)足上面條件外，

9、還要保證在每檔分界電阻處 分得的電壓通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量變化比較明顯，主要是最低檔位（ 0.2-20 ）。第3章 系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計(jì)3.1 主控模塊的設(shè)計(jì)3.1.1 單串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 LTC1864LTC1864是凌力爾特推出的 16 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ，采用單 5V 工作電源，并能保證在-40 - +125的溫度范圍內(nèi)工作，最大工作電流為850A,最大采樣率 250ksps ，供電電流隨采樣速率的降低而減小 6 。LTC1864 與單片機(jī)的接口電路見(jiàn)圖 3-1 所示。圖 3 -1 LTC1864 與單片機(jī)的接口電路基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)3.1.2 檔位切換電路換

10、檔電路由五個(gè)繼電器電路組成， 換檔過(guò)程可以概括如下： 首先通過(guò)單片機(jī)將全量程檔 位接通， 對(duì)電阻進(jìn)行一次粗測(cè)。 然后單片機(jī)根據(jù)粗測(cè)結(jié)果， 將繼電器切換至合適量程的檔位， 對(duì)電阻進(jìn)行精確測(cè)量。本設(shè)計(jì)所用繼電器為 松下公司 TX系列的信號(hào)繼電器，具體型號(hào)為T(mén)X2-5V。 型號(hào)繼電器線圈與觸點(diǎn)間耐壓為 1000VAC/1 分鐘，觸點(diǎn)與觸點(diǎn)間耐壓為 1000VAC/1 分鐘，觸點(diǎn)電流為 3A,絕緣電阻大于等于 1000M，線圈功耗僅為 140mW，線圈電壓為 5V，線圈電阻為 178 17.8 （線圈電流 0.0325A 小于晶體管 9013 最大集電極電流 0.5A ），體積小便于安裝，特 別導(dǎo)通電

11、阻僅為 50m ，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)任務(wù)。單片機(jī)端口的輸出電流很小， 不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器正常工作， 所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須先 把端口信號(hào)用三極管 9013 進(jìn)行放大，然后再用放大的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。繼電器與單片 機(jī)的接口電路如圖 3-2 所示。圖 3-2 繼電器與單片機(jī)的接口電路基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)3.2人機(jī)接口的設(shè)計(jì)3.2.1 鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中設(shè)置了 4 個(gè)按鍵、 一個(gè)開(kāi)關(guān) ，并采用獨(dú)立式鍵盤(pán)的查詢(xún)方式。 開(kāi)關(guān)采用推式 開(kāi)關(guān)，用來(lái)在系統(tǒng)電阻測(cè)量與電阻篩選兩大功能之間切換。4 個(gè)按鍵是系統(tǒng)在篩選模式下用來(lái)輸入篩選電阻值與篩選誤差。按鍵開(kāi)關(guān)與單片機(jī)的接口電路如圖 3-3 所示。圖 3-3

12、 按鍵開(kāi)關(guān)與單片機(jī)的接口電路圖3.2.2 顯示電路的設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x采用的是 液晶屏 作為顯示器件，其中 D0D7是數(shù)據(jù)線輸入引腳； V0 是液晶顯示 器驅(qū)動(dòng)電壓，輸入； D/I(RS) 為數(shù)據(jù) /指令寄存器選擇，為 1 時(shí)，是數(shù)據(jù)寄存器，為 0時(shí)，是 指令寄存器，輸入； R/W為讀/ 寫(xiě)選擇輸入， 為 1 時(shí)是讀操作， 為 0 時(shí)，是寫(xiě)操作； CS1、CS2 是選擇芯片左右半屏信號(hào)； VOUT是 LCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓； LED+、 LED-是 LED背光板電源。由于單片機(jī) P0口沒(méi)有上拉電阻， 所以在 LCD12864 與單片機(jī)的接口電路上應(yīng)加上上拉電阻。液晶屏與單片機(jī)的接口電路如圖 3-5 所示。基

13、于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)圖 3-5 液晶屏與單片機(jī)的接口電路3.3 電源的設(shè)計(jì)在自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，共需要兩個(gè)電源。一個(gè)是供單片機(jī)、 LCD12864 等芯 片正常工作所需要 Vcc，另一個(gè)是分壓電路和 LTC1864A/D 轉(zhuǎn)換使用的 +5.00V 基準(zhǔn)電壓 源。 由于整個(gè)系統(tǒng)使用的是市電220V，因此需要設(shè)計(jì)電源電路將市電轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的兩個(gè)電源。Vcc的設(shè)計(jì)：市電轉(zhuǎn)化為 Vcc需要經(jīng)過(guò)變壓器、 橋式整流、 濾波電路濾波， 再經(jīng)過(guò) 7805 芯片穩(wěn)壓成 5V的直流電壓，向主控制器供電。三端穩(wěn)壓電路7805 輸入電壓應(yīng)高于輸出電壓 3V以上（壓差較大穩(wěn)定，但功耗也大， 780

14、5應(yīng)加大散熱片） ，輸出電壓才穩(wěn)定。電路圖 如圖 3-6 所示。圖 3-6 給單片機(jī)等芯片供電的 5V 電源電路圖+5.00V 基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)：為了獲得高精度的基準(zhǔn)源，本設(shè)計(jì)采用 基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片LM385-5V0，產(chǎn)生 +5.00V 的基準(zhǔn)電壓 ，但是輸出電流僅為幾個(gè) mA，但是精度很高且溫度系數(shù)基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)很小（ 30ppm/）。系統(tǒng)中最小檔位所需要的最大電流為2.5A ，基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片 LM385-5V0的輸出電流不能滿(mǎn)足系統(tǒng)需求， 為此需要對(duì)輸出電流進(jìn)行放大。 給 A/D 轉(zhuǎn)換器和分壓電路供 電的+5.00V 高精度電源電路圖 3-7 所示。圖 3-7 +5.00V 高

15、精度電源電路其中的運(yùn)放為單電源雙運(yùn)放 LM358（只使用其中的一個(gè)） 。需要注意的是 +12V 電源需要 提供至少 4A 的電流，但是這個(gè) +12V不需要穩(wěn)壓，因?yàn)?LM358的+12V電源抑制比為 100dB， 電壓波動(dòng)可以忽略。 +12V 是用整流濾波后產(chǎn)生的未穩(wěn)壓電源。但是要慎重選擇整流橋，使 整流輸出電流大于 4A。為此，為了節(jié)約成本可將兩個(gè)電源合二為一， 其整流部分的二極管至少應(yīng)該使用 1N5408 這樣的 3A 的整流二極管 來(lái)構(gòu)成橋式整流電路，整流后的濾波電容應(yīng)設(shè)為2200uF 25V的鋁電解電容和 0.47uF 的獨(dú)石電容并聯(lián)。其整個(gè)系統(tǒng)電源電路圖如圖 3-8 所示。9基于單片

16、機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)圖 3-8 整個(gè)系統(tǒng)電源電路圖第4章 控制軟件的設(shè)計(jì)4.1 主程序的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，主程序負(fù)責(zé)的工作有初始化系統(tǒng)、讀模式開(kāi)關(guān)、 調(diào) A/D 采樣子程序、 調(diào)用 數(shù)據(jù)處理子程序、 讀鍵盤(pán)設(shè)置篩選值與篩選誤差子程序， 顯示子程序等等， 主程序流程圖如 圖 4-1 所示。開(kāi)始圖 4-1 主程序流程圖10基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)4.2 子程序的設(shè)計(jì)4.2.1 讀取 A/D 采樣值子程序的設(shè)計(jì)LTC1864 的工作時(shí)序如圖 4-2 所示。圖 4-2 LTC1864 的工作時(shí)序圖 10 讀取 A/D 采樣值子程序流程圖如圖 4-3 所示。11基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

17、圖 4-3 讀取 A/D 采樣值子程序流程圖4.2.2 多次讀取 A/D 采樣值子程序的設(shè)計(jì)為防止基準(zhǔn)源電壓的波動(dòng)和所帶來(lái)的 A/D 采樣值誤差， 我們需要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)程序來(lái)減 小誤差： 連續(xù)讀取 5次 A/D采樣值， 去掉一個(gè)最大值與一個(gè)最小值， 余下的三個(gè)采樣值求算 術(shù)平均值。防止讀取 A/D 采樣值干擾子程序流程圖如圖 4-4 所示。12基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)圖 4-4開(kāi)始防止讀取 A/D 采樣值干擾子程序流程圖4.2.3 鍵盤(pán)設(shè)置子程序的設(shè)計(jì)在篩選模式， 要輸入篩選值及篩選誤差。 為此， 我們?cè)O(shè)計(jì)了設(shè)置篩選值與篩選誤差子程 序。為此， 我們共設(shè)置了四個(gè)按鍵它們分別是： “光標(biāo)

18、切換 next ”、“數(shù)字加一 / 單位加 jia “數(shù)字鍵一 / 單位減 jian ”、“設(shè)置完成 ok ”。篩選值為三位整數(shù)一位小數(shù)外加單位，例如 “999.9k ”。篩選誤差為兩位整數(shù)，單位是，例如“15”。所以，光標(biāo)共需切換七次，才能進(jìn)行一次完整設(shè)置，這樣給用戶(hù)帶來(lái)很不方便，為此設(shè)計(jì)了“設(shè)置完成”按鍵，在光標(biāo)切 換任何至任何位置時(shí)，都可以通過(guò)“設(shè)置完成”按鍵，直接完成設(shè)置進(jìn)行篩選。鍵盤(pán)設(shè)置子 程序流程圖如圖 4-5 所示。13基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)返回開(kāi)始測(cè)量模式光標(biāo)切換標(biāo)志位K 零全局k1k7 置零模式選擇是否彈起Ok是否按下？返回Next 是否按下？Ok 是否按下？Y模式選擇是否彈起 測(cè)量模式返回NK=1百位K1閃爍Next 是否按下？Next是否按下？K=2K=3 個(gè)位的設(shè) 置K1+1N小數(shù)位的 設(shè)置K=2 十位的設(shè) 置K1=10?K1=0K1=-1?K1=9K=5 單位的設(shè) 置K1-1NK=6誤差十位的設(shè)置K=7誤差十位的設(shè)置置K=0圖 4-5鍵盤(pán)設(shè)置子程序流程圖4.2.4 檔位選擇、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)計(jì)該部分程序是整個(gè)程序最重要的部分，本部分子程序是調(diào) A/D 采樣子程序，然后根據(jù) A/D 采樣后的值進(jìn)行檔位選擇，將繼電器換到合適檔位，再調(diào)A/D采樣子程序和防干擾多次讀取 A/D 采樣