电阻测量系统设计.doc

电子系统设计课程设计题目：电阻测量系统设计 自动电阻测试仪【摘要】本简易自动电阻测试仪具有手动四档及自动三档量程转换电阻测试功能，以单片机为控制核心，使用仪表运放来精确采集被测电阻两端电压，经过模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，以便单片机进行处理。最后通过LCD12864液晶显示出结果，能自动显示小数点和单位；并且该装置具有电阻自动筛选和自动测量显示电位器变化曲线的功能。实验结果表明，本系统完全达到设计要求，多项指标优于题目要求。【主要技术】(1) 通过编程来实现对电阻值的直接测量 (2) 12位A/D转换技术 （3) 量程转换技术 （4）液晶显示器的有效应用 （5）串并转换技术 （6) 通过单片机控制电机实现对电位器的自动控制 【关键词】模数转换；自动量程转换；INA114；电阻；MCU；液晶显示；目 录一、 系统方案41.1 设计要求41.1.1 任务41.1.2 要求41.2 总体方案51.2.1 方案论证与比较51.2.2系统组成5二、 理论计算与电路分析62.1 电阻测量原理62.2.1测量电路62.1.2基准电压电路72.2 自动量程转换与筛选的设计72.2.1 自动量程转换72.2.2 筛选功能82.3 电位器阻值变化曲线装置的设计8三、电路与程序设计83.1 电路设计与分析83.1.1 电源模块83.1.2 测量及转换模块93.1.3 控制显示模块103.1.4 辅助装置103.2 程序流程图设计11四、系统测试方案与结果134.1 测试条件134.2 测试方案134.3 测试结果及分析13五、结论和系统特色14 一、 系统方案1.1 设计要求1.1.1 任务设计并制作一台简易自动电阻测试仪。1.1.2 要求 （1）基本要求 测量量程为 100、1k、10k、10M四档。测量准确度为（1%读数2 字）。 3 位数字显示（最大显示数必须为 999），能自动显示小数点和单位,测量速率大于 5 次/秒。 100、1k、10k三档量程具有自动量程转换功能。 （2）发挥部分 具有自动电阻筛选功能。即在进行电阻筛选测量时，用户通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值的同时，给出该电阻是否符合筛选要求的指示。 设计并制作一个能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线的辅助装置，要求曲线各点的测量准确度为（5%读数2 字）,全程测量时间不大于 10 秒,测量点不少于 15 点。辅助装置连接的示意图如图 1 所示。 其他 图 1 辅助装置连接的示意图1.2 总体方案1.2.1 方案论证与比较（1）电阻信号的采集方案一：恒流法恒流法的依据是信号源内阻为无穷大，电流恒定。此特性对于测量本题中小于10k的电阻有较高的精度，但在测量阻值较高的电阻时，一方面被测电阻的压降过大，有可能进入非线性区；另一方面，实际电流源的内阻不可能为无穷大，大阻值的电阻已接近电流源的内阻，此时电流源内阻的分流已不能忽略，从而影响测量精度。方案二：恒压法恒压法的依据是信号源内阻为0，电压恒定，此特性对测量中高阻值电阻有较高的精度，但测量较小阻值电阻时也会存在一定的误差。方案选择：本设计偏重于中高阻值电阻的测量，故选方案二，并且通过与标准电阻串联分压方式减少测量小电阻时的误差。（2）自动量程的转换方案一：采用多量程开关MPC509切换不同阻值的标准电阻。优点：易于控制，电路简单。缺点：器件本身有1k电阻，对测量结果有较大影响。方案二：采用继电器来切换标准电阻。优点：器件无电阻，对测量结果影响小，易于控制。缺点：电路稍显复杂，切换有响声。方案选择：本设计要求准确度达到，故采用方案二。（3）信号转换方案一：采用单片机内部的A/D转换器。优点：电路结构简单。缺点：转换速度慢，干扰大，准确度达不到要求。方案二：外接12位ADS805 A/D转换器。优点：转换速度快，准确度高。缺点：外围电路复杂，占用较多的I/O口。方案选择：本设计侧重于高准确度，因此采用方案二。1.2.2系统组成本系统组成框图如图2所示。图 2 系统框图二、理论计算与电路分析2.1 电阻测量原理2.2.1测量电路采用串联电阻分压的方式来确定测量电阻，如图3 所示。根据欧姆定理可知，只需测出两端电压和流过它的电流就可计算出。由图可知 ，使用了TI公司生产的仪表放大器INA114测量的值，测出的值即可知被测电阻值。INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小、精度高、价格低廉,可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD传感器和医疗仪器等。INA114只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值,内部输入保护能够长期耐受40V,失调电压低（50V）,漂移小（0.25V/）,共模抑制比高（G=1000时为50dB）,用激光进行调整,可以在2.25V的电压下工作,使用电池（组）或5V单电源系统,静态电流最大为3mA。INA114采用8引脚塑料封装或SOL-16表面封装贴件,使用环境温度为-40+85。图 3 测量电路2.1.2基准电压电路为了使测量更精准，必须提供准确稳定的+5V电压。因此采用三端可编程并联稳压管TL431构成+5V串联稳压器。输出电压 电路如图4所示。德州仪器公司（TI ）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。其输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。 图 4 +5V基准电压电路 图5 量程转换电路2.2 自动量程转换与筛选的设计2.2.1 自动量程转换自动量程转换功能的实现由单片机检测值的大小来切换相应档位的继电器是否导通，从而实现电阻测量量程的自动转换，电路如图5所示。自动量程采用由高位档向低位档逐档比较的切换方式。当由手动量程转换切到自动量程转换测量时，继电器自动切换到10k档位，当测试出的2.500V时（即被测电阻10k），则超出自动测量范围，并显示“超出量程”；当0.476V2.500V时（即1k被测电阻10k），则档位不变，并显示测量电阻值；当0.476V时(即被测电阻1k)，则档位切换到1k档位。当切换到1k档位时，再次检测值，当测得0.476V时（即被测电阻100）,则档位不变，并显示测量电阻值；当测得0.476V时（即被测电阻100），则档位切换到100档位。当切换到100档位时，则直接显示测量电阻值。 2.2.2 筛选功能筛选功能先计算出设定阻值的范围，假设要求的电阻值为,误差值为，则电阻筛选范围为（）（）。测量时将电阻测试仪调到自动档，测量出被测电阻的阻值，然后判断是否在筛选范围里，若在此范围则显示筛选符合要求并显示具体阻值，否则显示不符合筛选要求。2.3 电位器阻值变化曲线装置的设计将小型直流电机的转轴与4.7k旋转式单圈电位器相连，从电位器引出两点用于测量显示，为了能准确显示被测电位器阻值从04.7k的变化，本装置在电位器的零欧姆位置安装了行程开关，用于控制电位器从零开始变化。三、 电路与程序设计3.1 电路设计与分析从整体来看，本测试仪由供电系统（即电源模块）、电阻测量及量程转换模块、控制运算及显示模块。 3.1.1 电源模块电源电路如图6所示，采用LM317和LM337来输出12V、8V、+5V。LM317和LM337输出电压精度更高。+5V用于给单片机供电；+8V经过TL431稳压成标准的+5V提供测量电阻的基准电压。+5V用于ADS805供电。12V用于仪表运放INA114供电。图 6 电源电路3.1.2 测量及转换模块电阻值测量电路及自动量程转换电路，如图7所示。用红黑表笔测量被测电阻，得出并送入单片机，即显示出相应阻值。通过单片机输出的控制信号来调节继电器KM的切换，进而控制了量程的转换。图 7测量及量程转换电路3.1.3 控制显示模块单片机控制显示模块如图8所示，控制电路采用外接AD，单片机内部自带的AD只有10位，不能满足本设计中对准确度1%的要求，因此采用外接12位的ADS805。采集的电压信号经过OPA2209跟随到AD中，使用OPA2209起到输入阻抗的变换，减小AD对信号的影响。由于控制采集信号需要大量I/O口，导致单片机的接口不够用，因此在显示电路部分，采用了两个74HC595来节省显示部分的接口。74HC595是硅结构的CMOS器件，具有8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器、一个存储器和三态输出功能。图 8 单片机控制及显示模块3.1.4 辅助装置辅助装置是将小型直流电机的转轴与4.7k旋转式单圈电位器相连，从电位器引出两点用于自动测量显示电位器阻值随旋转角度变化的曲线。由于单片机输出的信号不能驱动电机，因此在电路设计中采用TA8428K驱动直流电机，如图9所示。东芝双极型线性集成电路TA8428K 用于电机旋转控制，电机的正转，反转，停止和制动操作可供选择，具有热关断和短路电流保护等功能，输出电流的峰值为3.0 A。图9 辅助装置连接电路图3.2 程序流程图设计程序设计的总体思路如图10所示。图 5程序流程图四、 系统测试方案与结果4.1 测试条件（1）仪器UT60D三位半数字万用表一台UT71A四位半数字万用表一台（2）环境条件测试环境温度在26左右。4.2 测试方案将自动电阻测试仪分别调到100档、1k档、10k档和10M档测量量程范围内的不同阻值的电阻，并记录结果。然后用四位半数字万用表分别测量被测电阻的阻值，利用公式求出准确度。4.3 测试结果及分析不同档位的电阻测试结果如表1所示，通过测试数据可知，其测量准确度达到设计要求，能自动显示小数点和单位，测量速度远远大于5次/秒，并实现了100档、1k档和10k档三个档的量程自动转换功能。表 1 不同档位准确度测试结果测量值实际值准确度(%)平均准确度(%)100档/98.298.730.530.5010.911.000.9074.274.260.081k档/k0.9910.98900.200.530.5340.53180.400.2010.19901.0010k档/ k9.139.0870.470.541.191.18600.334.684.6410.8410M档/M0.9910.98900.200.634.854.8850.719.829.921.00自动电阻筛选测试结果如表2所示，测量时该测试仪能在显示被测电阻阻值的同时，给出该电阻是否符合筛选要求的指示，经测试完全符合设计要求。表 2 自动筛选测试结果设定值误差值测量值是否符合要求1750.574.2不符合275174.2符合32402237不符合42405237符合55.1k305.01 k不符合65.1k405.01 k符合当切换到辅助装置测试功能时，电机驱动电位器自动复位（0），然后开始测量。电位器阻值随旋转角度变化曲线测试结果如图11所示，随旋转角度的变化，依次采集并显示电位器的阻值，全程共采集16个点，其测量准确度基本满足要求。图 6 电位器阻值变化曲线结果五、 结论和系统特色 本系统的测量量程为 100、1k、10k、10M四档，其准确度分别为0.5%、0.53%、0.54%、0.63% 。 LCD显示屏最大能显示999，并实现了自动显示小数点和单位的功能,测量速率满足大于5次/秒。 实现了100、1k、10k三档自动量程转换功能。 具有自动电阻筛选功能。即在进行电阻筛选测量时，用户通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值的同时，给出该电阻是否符合筛选要求的指示。 设计并制作一个能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线的辅助装置，曲线各点的测量准确度小于5%，全程测量时间8.5秒，测量点16点。 测量并显示电位器阻值随旋转角度变化曲线时，能自动存储并显示电阻值。 实验总结本设计采用单片机控制的方式实现了简易自动电阻测试功能，完成了电阻测量的智能化设计。系