简易自动电阻测试仪

简易自动电阻测试仪摘要根据所学的专业，本次设计的大致方法就是将高频高压开关稳压电源和单片机控制引入到电阻测试系统中，转换模拟量，将模拟量转换为数字量输出，实现测量的自动化和宽量程。并分析了测量电阻的多种方案，以自己的实际水平为基础，利用现有的条件来取一种最适合的方案，致使设计能够达到预期要求。本设计讨论了多方面的设计方案，在本设计中制作了基于C8051F060/1/2/3/4/5/6/7高速混合信号ISPFLASH微控制器的简易自动电阻测试仪在简易自动电阻测试仪中，我们采用了模式选择的方法，通过不同的模式选择，能够实现电阻的基本测量，电阻的自动筛选以及曲线测试的功能。关键字电阻；测试仪；电子仪器；自动量程转换目录一、前言3二、总体方案设计421几种电阻测试仪的简介4211接地电阻测试仪4212绝缘电阻测试仪4213回路电阻测试仪4214直流电阻测试仪422简易自动电阻测试仪系统结构框图及原理5三、硬件设计与选择631单片机控制板模块的论证与选择632恒流源的论证与选择633A/D转换器论证与选择734控制系统的论证与选择835显示模块的论证与选择9四、系统理论分析与计算1041电阻检测模块的分析1042电阻检测模块的计算11五、硬件原理图1251系统总体框图1252恒流源测试电路原理图1253六路自动量程切换电路图1354单片机系统原理图1355A/D转换电路图1456整体电路原理图14六、软件设计1661单片机资源分配1662软件延时程序1663按键键值读取程序1664ADC初始化程序1765ADC采样驱动程序1766被测电阻值计算程序1867数码管显示驱动程序18七、测试方案与测试结果2071测试方案2072测试条件与仪器2073测试结果数据2074测试分析与结论21八、结束语22致谢23参考文献24一、前言二十一世纪是知识经济时代。随着现代科学技术的飞速发展，电子科技浪潮势不可挡，由于数字化测量仪器较模拟仪器具有使用方便，测量精确等优点，所以为了适应现代科技的发展要求和很多科技、技术方面的需要，机械电阻测量仪器已经越来越不能适应当代人们的电阻测量仪的要求和需求了。随着数字式电阻测量仪越来越高的呼声，简易自动电阻测试仪应运而生。以往的电阻测量仪的测量范围及精度很有限，不能够很好的对更高要求的电阻测量有合适的反应。本系统是针对数字式测量仪而设计的简易自动电阻测试仪，这种测量仪器有电路简单、准确度高、抗干扰能力强的优点。电阻是计算机技术，电子技术，信息技术中必不可少的电子元件，电阻的大小表示的是该物质对电流的阻碍作用，电阻具有限流，分流，分压的作用。要测量到某个电阻元件的电阻大小，必须得有电流，也就是说必须有外加电源。日常生活中我们用的交流电比较多，而直流电相对较少。想要得到电阻的精确值，那么该设计就必须用到稳定的直流源。设计一个电子产品出来，说容易也容易，说难也难，小到高中的基本物理知识，大到有待我们探讨的单片机系统。本设计主要由单片机模块，模数转换模块，恒流源模块，数码显示模块，稳压模块，自动转换模块，控制模块七大模块构成。每个大模块都列举了一至三个方案，进行合理性，可行行性的选择。通过论证的选择，来合理搭配各种元器件组成相应的模块，并且考虑了各个模块相互之间的兼容性。然后根据硬件的结构和功能来编写各个模块相应的程序，并将程序整合统一，实行全局的调试。最后就是对半成品的测试和检查。由于本次设计时间比较仓促，硬件设备不齐全，加上自己专业水平有限，设计中疏漏之处在所避免，希望读者及时批评和指正二、总体方案设计21几种电阻测试仪的简介电阻测试仪，是电气安全检查与接地工程竣工验收不可缺少的工具。包括接地电阻测试仪、绝缘电阻测试仪、回路电阻测试仪、直流电阻测试仪。211接地电阻测试仪接地电阻测试仪测量精度高，速度快，使用方便，特别适用于要求高的实验室和自动检测线上使用。新增断线报警功能即开路报警可以非常方变的知道仪器是否工作在正常测试状态。其大致分成三种类型1、DF9000大型地网变频大电流接地特性测量系统。2、DF910K大型地网变频大电流接地阻抗测量系统。3、DF902K变频抗干扰接地阻抗测量仪。212绝缘电阻测试仪绝缘电阻测试仪又称数字绝缘电阻测试仪、兆欧表、智能绝缘电阻测试仪等，适于在各种电气设备的保养、维修、试验及检定中作绝缘测试。绝缘阻值分度线均匀清晰、便于准确读数。操作简捷，携带方便。低耗电，用815VAA,R6电池供电，使用时间长。具有电池容量检查功能。有单电压机型和双电压机型，额定电压、量程合理配置成多种规格，适用面广。采用先进数字处理技术，容量大、抗干扰能力强，能满足高压、高阻、大容量负载测试的要求，示值准确、稳定、可靠。具有防震、防潮、防尘结构，适应恶劣工作环境。保护功能完善，能承受短路和被测电容残余电压冲击。213回路电阻测试仪回路电阻测试仪采用100A恒流输出。最高输出电压达10V（常规仪器的23倍）可采用载面细的测试线，大大减轻了现场测试人员的劳动强度。测试过程全部由单片控制自动实施，精度高，复测性好，单按键操作，简单易行，测试数据液晶显示。适用于不同的工作环境。机内置100A/200A开关电源，使之达到恒流100A两套回路实时跟踪测试。保证测试结果正确。采用数字电路技术和开关电源技术相结合设计而成。它适用于开关控制设备的接触电阻、回路电阻的测量。其测试电流采用国家标准推荐的直流100A以上。214直流电阻测试仪直流电阻快速测试仪（微欧计）是取代直流单、双臂电桥的高精度换代产品。采用了先进的开关电源技术，由点阵式液晶显示测量结果。克服了其它同类产品由LED显示值在阳光下不便读数的缺点，同时具备了自动消弧功能。HSXZR10A直流电阻快速测试仪具有测速快、精度高、显示直观、抗干扰能力强、体积小、耗电省、测试数据稳定可靠、不受人为因素影响等优点。仪器内装可充电电池组（12V），交直流两用，便于现场及野外测试。是测量电力变压器及大型电机等各种感性负载电阻及低压开关接触电阻、电线电缆或焊缝接口电阻的理想仪器，其测量速度比电桥快一百多倍。经过研究决定，根据自身的所学知识，我决定选择以直流电阻测试仪为核心，参照它的原理、结构特征，设计出一个简易电阻测试仪。22简易自动电阻测试仪系统结构框图及原理图1系统框架原理图单片机控制系统液晶显示恒流源模块电源被测负载A/D转换按键控制基准电阻矩阵由精密电阻组成，提供六个量程100、1K、10K、100K、1M、10M的对应的基准电阻，其阻值分别为340、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10M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K、M单位显示LED灯组成。负载测试原理精密恒流源输出稳定电流并负载，模数转换器将采集到的负载模拟电压信号转换为数字信号并送入单片机，数字信号经单片机运算处理后则转换为相应的负载阻值，最后在单片机的控制下由液晶显示器实时显示出来。从而完成了对负载阻值的实时测量。三、硬件设计与选择31单片机控制板模块的论证与选择方案一采用自制单片机控制系统板。自制控制系统板由于资源不易扩展，工作稳定度低，一般只适用于控制要求简单的场合，而对于较为复杂的控制系统，往往不能更好地满足控制要求。方案二选择SCBCS1系统控制板。SCBCS1是早期单片机控制产品，不能进行在线调试，控制板上可用资源少，只扩展了一个常用并行口8155，8位模数转换器ADC0809，8位的数模转换器DAC0832，这些模数、数模转换器件都是早期产品，性能低，不能满足更高的控制要求，系统板上显示与键盘均由8279控制，8279虽然能处理键盘的抖动，为编程带来方便，但是显示部分为8位数码管，显示信息少，体积大。因此该控制板已较少使用。方案三选取C8051F060/1/2/3/4/5/6/7高速混合信号ISPFLASH微控制器。C8051F06X系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有59个数字I/O（C8051F060/2/4/6）或24个数字I/O引脚（C8051F061/3/5/7），片内集成了两个16位、1引脚MSPS的ADC，C8051F06X系列MCU对CIP51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP51提供22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。由于C8051F06X控制板使用方便，能够满足更高的控制要求，能够使自己的专业知识得以施展，为实验的成功先做一个保障。并且性价比高，能够完全满足此次设计的需求，所以选择方案三。32恒流源的论证与选择方案一利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可，但是，其电流调整率指标只能达到05015。方案二采用集成稳压器构成的开关恒流源。图2所示是三端集成稳压器构成的开关恒流源。当设定电阻R一定时，电路给负载RO提供一恒定电流当RL发生变化时，由IC的输入输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。ICC1C2RROIOUINUO图2采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图方案三采用集成运放的线性恒流源。OP07构成的比较放大环节，与采样电路进行比较，控制场效应管的栅极电压，调整场效应管的导通角的大小，从而得到相应的电流值。同时单片机控制电流检测模块对输出电流的回路里取样，经AD转换后显示相应的电流值，实现了电压电流转换。方案四根据IU/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RXUO/I，UO为DVM。如下图所示图3恒流源模块由图可以看出，当RX变化时，输出电压U0与RX的变化成正比，因此可以得到较高的精度。故我们采取方案四来设计。33A/D转换器论证与选择方案一ADC0809是八路模拟输入、八位数字量输出的A/D转换器，是采用逐次比较法完成A/D转换的，由单一的5V电压供电，片内带有锁存功能的8路选一模拟开关。方案二MC14433是美国MOTOROLA公司推出的单片3位半A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少、输入阻抗高、功耗低、电源电压范围宽、精度高等特点，并且具有自动校零和自动积极转换功能，只要外接少量的阻。方案三ADI公司的AD7805，这是一款16位的AD转换器，双通道同步采样，非常适合测量低频微小模拟信号，这款器件带有自增益可编程放大器，可以过软件编程来直接测量传感器输出的微小信号。AD7805具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点，因而非常适合用在本系统的设计中。经过实验我们发现AD7805能够测量的最小电压可达到1，所以从采样电阻采集的小信号可以直接送到AD，它的这种特性避免了在测量回路过多的设计采样电阻；AD7805具有独立的时钟信号，可以通过外接晶振来实现，在这里我们选择24596MHZ，它能有效的避开工频的干扰；实践证明，这款A/D非线性失真低，抗干扰能力较强，能对微小信号有效的测量。故选择方案三。34控制系统的论证与选择方案一采用分压的方式进行，如下图所示。图4分压恒方式该方案在采样计算时，要达到1的精度，要将电压输出曲线分成若干段才有可能达到精度，且区间越小，精度越高，这会为编程带来很大的不便，采用单片机系统很难实现，但硬件简单。方案二采用恒流源方式，如下图所示图5恒流方式该方案主要是将电压源经分压产生的输出电压改由恒流源实现，在不同档位时，选择相应的档位开关。该方案的硬件复杂，但精度较高，能满足测试要求。综合考虑上述方案，方案二更能够达到测试的要求。35显示模块的论证与选择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出部分，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。图6八位数码显示管四、系统理论分析与计算41电阻检测模块的分析方案一电阻分压法。如图图7电阻分压电路将待测电阻RX和基准电阻R串联在电路中。由于电阻分压的作用，当串联到电路上的电阻RX的值不同时其RX上分的压降也不同。通过测量上VX便可求得RX。XXVC该方案原理简单，理论上只要参考电阻精确，就可以测量任何阻值的电阻，但实际上由于AD的分辨率有限，当待测电阻的很大或是很小时就很难测出RX上的压降VX，从而使测量范围缩小，要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD的分辨率，这无疑会增加系统的复杂性和成本。方案二利用RC充电原理，根据电路原理电容充电的时间常数RC。通过选择适当的参考电容，通过测量充电到一个固定电压时所需的时间即可以测量出相应的电阻阻值。此方案中当电阻值过小时，充电时间很短，普通的微处理器难以测量，同时通过实际测试发现当电阻太大时充电时间和电阻的大小线性度变差，这将导致测量误差增大。这些因素导致电阻测量范围较窄。方案三利用RC和555定时器组成的多谐振荡电路，通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小，如果固定电阻值，该方案硬件电路实现简单，通过选择合适的电容值即可获得适当的频率范围，同时输出波形为TTL电平的方波信号所以不需要再对信号做电平变换。即可直接供数字电路处理。综上所述，本设计采用方案三，采用低廉的NE555构建RC多谐振荡电路，输出通过D触发器74LS74将波形整形成二分频的对称方波送交控制器处理。电阻模块的电路图如下图所示，分为两大部分，第一部分恒流源电路，实现将电阻的变化用电压变化成线性地表示。其本质上来说是一个同相比例运放电路，5V或05V的基准电压加在同相端，为接在反相端的基准电阻提供电压，由于电压是恒定的，且同相端的电压与反相端电压相等，因此，流过基准电阻的电流是恒定的，不随待测电阻而变化，这样就将待测电阻的阻值变化用电压的变化线性的表示出来，基中05V的基准电压是用在测试大于1M的电阻条件下。集成运放输出端的三极管是为了提高集成运放的输出电流。图中的开关部分为档位选择开关，要根据测试电阻的大小，合理地选择开关的通断。开关部分可由导通电阻小，允许通过电流较大的模拟开关来实现，也可由小继电器实现。在本电路中，我们采用了小型继电器来实现。模拟开关第二部分为信号放大部分，其功能是通过测量放大器将RX两端的电压变成单端电压，经放大器后，输出A/D转换器所需的024V的电压。图8NE555构建RC多谐振荡电路42电阻检测模块的计算欧姆定律可知IU/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。根据设计要求，测试电阻的档位分为100、1K、10K、100K、1M等不同档位，且要求精度达到1，为此，我们将其档位分为若干档，以便在对待测电阻进行测试时选择合适的档位。具体的计算方法根据5V的电源电压，以及基准电阻的关系，如基准电阻为1K，待测电阻为130，通过电压与电阻的关系有以下公式通过以上公式计算出基准电压。再通过下式可计算出相应的数字量将计算的数值送到A/D转换器中，从而实现了数字量与模拟的转换，得到相应的数值。五、硬件原理图51系统总体框图系统总体框图如下图所示图9硬件总框架52恒流源测试电路原理图电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。根据IU/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RXUO/I，UO为DVM。14823765UVRXKFA0SGNDEOTPM图10恒流电路53六路自动量程切换电路图单片机系统ADC采样自动量程切换恒流源基准电阻矩阵控制面板数码显示待测电阻以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100，1K，10K，10M，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。10KM8357GND24RXP图11自动量程切换54单片机系统原理图使用C8051F06X单片机作为系统的控制核心。C8051F06X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C8051F06X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。图12单片机C8051F06X系统电路55A/D转换电路图经过采样电路的信号不能直接送A/D转换电路，必须要进行信号的调理，这里主要指信号放大和滤波。为此本系统设计了基于OP07的有源放大电路和型滤波电路。经过调理后的信号送A/D转换电路，具体电路图如图13模数转换电路56整体电路原理图图14电路整体图六、软件设计61单片机资源分配/数码管显示位控制端，低电平有效SBITDATA0P21SBITDATA1P22SBITDATA2P23/KORM量程选择，低电平量程自动选择100,1K和10K档，高电平量程是10M档SBITKORMSELECTP20/量程选择开关控制端，A1A0编码与选通通道的关系为当P200时，00S1,01S2,10S3/当P201时，00S5,01S6,10S7。SBITSCALESELETOR0P24/A0SBITSCALESELETOR1P25/A1/阻值单位设置SBITUINT_KP26/K单位灯控制SBITUINT_MP27/M单位灯控制62软件延时程序VOIDDELAYUNSIGNEDINTIUNSIGNEDINTX,YFORX200X0XFORYIY0Y63按键键值读取程序KORMSELECT1KORMSELECTTMPKORMSELECTIFKORMSELECTTMP1DELAY5KORMSELECT1KORMSELECTTMPKORMSELECTIFKORMSELECTTMP1KORM_FLAG1ELSEKORM_FLAG064ADC初始化程序VOIDADC_INITP1ASF0X01/指定P10为ADC功能ADC_CONTR0AUXR10X00/转换结果位十位ADC_CONTR0XE0/九十个机器周期为一个AD转换周期DELAY165ADC采样驱动程序UNSIGNEDINTADPRODCUINTM/连续采样M次，并求M次采样平均值UNSIGNEDLONGADCBUF0UNSIGNEDLONGAD_RESULT0UNSIGNEDINTI0ADC_CONTR0/清除ADC_CONTRADC_CONTR/延时ADC_CONTR|0XE8WHILEMADCBUF0ADC_RES0/清A/D转换结果寄存器高8位ADC_RESL0ADC_CONTR|0X08/0000，1000ADCS1，启动转换DELAY1WHILEADC_CONTR/0001,0000等待A/D转换结束ADC_CONTRADC_CONTR/1110,0111清ADC_FLAG位，停止A/D转/换ADCBUFADC_RESADCBUF102/溢出处理D2998PENSMODEDATABUFUNSIGNEDINTD2/数据类型转换为整型数RETURNDATABUF67数码管显示驱动程序VOIDRESTODISPLAYINTDATA_POINTOR/七段码表指针INTZERO_FLAG0/第一位灭零标志DATA_POINTORX/10010SWITCHSCALE_MODECASE0/100欧姆量程IFDATA_POINTOR0/第一位灭零P00XFFZERO_FLAG1ELSEP0TABDATA_POINTORZERO_FLAG0BREAKCASE1/1K欧姆量程P00X40BREAKDEFAULT/10M欧姆量程P0TABDATA_POINTORDATA00DATA21DELAY5/显示第二位DATA_POINTORX/1010SWITCHSCALE_MODECASE0/100欧姆量程IFDATA_POINTOR0ELSEP0TABDATA_POINTORBREAKDEFAULT/1K、10K欧姆量程P0TABDATA_POINTORDATA01DATA10DELAY5/显示第三位DATA_POINTORX10P0TABDATA_POINTORDATA11DATA20DELAY5七、测试方案与测试结果71测试方案对电阻测量时，采用与实测电阻对应的方式来进行，当电阻小于1M时，接入测试孔后，采用不同的电阻几十欧姆、几百欧、几欧，等一系列电阻按自动换档的方式，测出电阻并显示阻值。对于大于1M小于10M的电阻可拔到大电阻档上进行测试。当电阻超过10M或小于1欧姆的电阻，本电路不能准确测量。72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，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。73测试结果数据20V档信号测试结果如下表所示结果电阻测试模块条件标准档位测试电阻RX实UO24242069V010075743199V130129037V1001K680677192V24K235K068V1K10K75K749K206V20K193K057V10K100K91K912K239V100K1M160K1597K045V910K890K214V电阻检测模块数据测试结果如下表所示（单位/V）输入电压0510152025303540455输出电压02905908801814717419721523024574测试分析与结论根据上述测试数据，对电路的检测与调试过程，可以得出以下结论1、通过亲自焊接电路，首先认识了基本元器件和一些常用的芯片，在焊接过程中遇到了各种问题，通过思考解决了问题，锻炼了自己独立思考问题，解决问题的能力。2、在电路检查与测试过程中要一定要仔细，认真。在通电前，断开一条电源线，用万用表检查电源端对地是否存在短路情况。3、通过测试数据，深刻认识到了我们在本次设计中的一些问提，但我们有信心，通过多次的试验与思考，最终我们得到了理想数据。综上所述，本设计达到设计要求。八、结束语经测试，该电阻测试仪能实现自动换挡且能测量出电阻在1010M，其中在505M之间测量误差为1，其他范围中5。系统能实现自动换挡，该性能完全超越了题目的基本要求，满足题目所有的发挥部分的要求。同时，本设计在电感测量模块中巧妙的运用了电感和二极管代替电容器配合555定时器组成的多谐振振荡器，从而简化了电路，进一步降低了系统的成本，使系统具有一定的创新性。本毕业设计主要完成的工作是电阻测试仪的部分程序设计，与同组同学的程序相结合后，电阻测试仪能正常工作。该仪器的功耗低，体积小，重量轻，便于携带，很适合在野外及工作现场使用且测量精度高。通过毕业设计的工作，对汇编语言有了进一步的认识。相对于C/VC