电阻测量仪设计

1、基于单片机的自动电阻测量仪的设计一、 系统总体设计系统设计任务与要求 STC12C60S2该自动电阻测量仪以 STC12C60S2单片机为核心，利用分压法测量原理，通过A/D 转换器进行采样，得到的采样值经过单片机处理实现电阻测量, 测量结果通过液晶进行显示。同时显示筛选结果指示， “”表示被测电阻偏大， “ ok”表示被测电阻满足筛选要求， “” 表示被测电阻偏小。1.1 重点研究内容与实现方法本设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括单片机主控系统、基准电压产生电路、 16 位 A/D 转换器、量程切换 电路、 液晶显示模块、键盘和电源模块等构成，其中硬件设计重点是单片机主控系统、选择

2、合适 A/D 转换器、 基准电压产生电路和量程切换电路， 设计难点是大功率、 高精度基准电压 源和电阻测量方案的选择。软件设计主要是编写程序。需要完成系统初始化、档位选择、电阻测量、电阻值显示、 键盘程序等工作。设计的难点是电阻测量算法和键盘程序的设计。1.3.1 主控模块在整个电路中，电阻值的测量、计算和显示，量程的自动换档和键盘设置等复杂任务 的处理都要依靠单片机来完成， 采用一款我们可靠、 高性能的单片机， 是保证我们完成整个 任务的基石，所以我们选择低电压高性能的微控制器STC12C60S2。 STC12C60S2单片机作为整机的控制单元， 利用 A/D 转换器采集分压电路的输出电压值

3、送入单片机进行处理，处理后的数据送到液晶显示模块显示。该设计采用分压测量原理，加上16位 A/D 可有效的减小电阻的测量误差。基于单片机的自动电阻测量仪的设计1.3.2 电阻测量方案电阻测量方案的选取直接关系到系统的测量精度和数据处理程序的设计， 电阻测量目前 可有多种方案。方案：采用分压法，通过测量分压值，按照电阻分压公式计算出。该方案电路稳定，受 外界影响小，测量精度高，且测量范围较宽。 另一方面便于使仪表实现自动化，而且设计周 期短，性价比高。1.3.3 电压信号采集模块方案：设置基准电压源电路，当测试被测电阻时，产生对应的电压值，然后使用 A/D 转换器 LTC1864模块完成 A/D

4、 转换，将所获得的数字量送至单片机， 通过软件对数字量进行 处理，将所测值显示在液晶显示屏上，这个方法满足系统对各项性能指标的要求。1.3.4 档位选择模块方案： 采用继电器作为档位开关控制，继电器是一种电控制器件。 它具有控制系统 （又 称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） 之间的互动关系。采用 4 个继电器分别控制不 同电阻测试档位。 最主要的优点是继电器的触点电阻很小， 毫欧级别， 可以满足小电阻测量 时的精度要求。1.3.5 显示模块 方案：液晶屏显示信息量大、字迹清晰、稳定，美观、视觉舒适，能够显示图形和汉字， 满足本系统的显示要求。1.3.6 电源模块方案：采用线性直流稳压电源

5、。线性稳压电源制作简单，输出稳定，性价比较高。基于单片机的自动电阻测量仪的设计1.3.7基准电压模块且是标准 CMOS工艺兼容， 结构新颖，1.3.9 自动电阻测量仪的设计原理框图自动电阻测量仪的设计的原理框图如图 1-1基准电压源具有低电压低功耗和低温漂高精度的优点，综合性能优异，完全满足本设计的要求。1.3.8 各模块方案确认1）主控模块：选用 STC12C60S22）电阻测量方案：电阻测量采用分压测量法。3）信号采集模块：信号采集电路选用A/D 模数转换 LTC1864。4）档位选择模块：采用继电器作为档位开关控制。5）显示模块： 1206 液晶屏6）电源模块：采用线性直流稳压电源。7）

6、基准电压模块：基准电压源。所示。图 1-1 自动电阻测量仪的设计的原理框图如上图所示， 该设计的原理可以概括： 上电后， 可以通过模式选择开关选择系统是处于基于单片机的自动电阻测量仪的设计测量模式还是筛选模式。 系统处于测量模式时， 当测试被测电阻时， 通过分压电路和继电器 切换电路产生对应的电压值， 然后使用 A/D 转换器模块完成 A/D转换，将所获得的数字量送 至单片机， 通过软件对数字量进行处理， 将所测阻值显示在液晶显示屏上。 如果被测电阻电 阻值超出仪表量程， 将启动报警电路； 系统处于筛选模式时， 先通过键盘输入筛选值和筛选 误差， 然后测试被测电阻， 液晶屏同时显示被测电阻值和

7、筛选值及筛选误差， 当被测电阻偏 大，液晶屏显示“” ，当被测电阻满足筛选要求，液晶屏显示“ ok”，当被测电阻偏小，液 晶屏显示“” 。第2章 系统理论分析与计算2.1 电阻测量原理分压即电阻串联分压， 在电路中被测电阻 R1和一个高精度的已知基准电阻 R2串联， 并 在两个电阻的两端中一端加一个已知的高精度的基准电压V，设 R1 两端的电压为 V1，R2两端的电阻为 V2，分压电路图如图 2-1 ，根据欧姆定律，R1/(R1+R2)*V=V1化简可得 R1=(V1*R2)/(V-V1)由于 V、R2已知， V1由模数转换 A/D 转换成数字量，经过单片机计算可得出被测电阻的阻图 2-1 分

8、压电路图自动换档原理和每档精确分压电阻的计算方法换档电路由五个继电器电路组成， 换档过程可以概括如下： 首先通过单片机将全量程档 位接通， 对电阻进行一次粗测。 然后单片机根据粗测结果， 将继电器切换至合适量程的档位， 对电阻进行精确测量 (其实可以首先用最大电阻档进行粗测， 然后换用合适档位即可。 这是 本设计的方案选取的一个缺陷) 。每档分压电阻的选取直接关系到测量结果的精度， 由于被测电阻分得的电压要送往 A/D 转换器， 为了获得足够的精度， 必须保证每档位的最大被测电阻分得的电压至少为基准电压基于单片机的自动电阻测量仪的设计的 90%以上。对于全量程档位的分压电阻除了满足上面条件外，

9、还要保证在每档分界电阻处 分得的电压通过 A/D 转换的数字量变化比较明显，主要是最低档位（ 0.2-20 ）。第3章 系统硬件各功能模块的设计3.1 主控模块的设计3.1.1 单串行 A/D 转换器 LTC1864LTC1864是凌力尔特推出的 16 位串行模数转换芯片 ，采用单 5V 工作电源，并能保证在-40 - +125的温度范围内工作，最大工作电流为850A,最大采样率 250ksps ，供电电流随采样速率的降低而减小 6 。LTC1864 与单片机的接口电路见图 3-1 所示。图 3 -1 LTC1864 与单片机的接口电路基于单片机的自动电阻测量仪的设计3.1.2 档位切换电路换

10、档电路由五个继电器电路组成， 换档过程可以概括如下： 首先通过单片机将全量程档 位接通， 对电阻进行一次粗测。 然后单片机根据粗测结果， 将继电器切换至合适量程的档位， 对电阻进行精确测量。本设计所用继电器为 松下公司 TX系列的信号继电器，具体型号为TX2-5V。 型号继电器线圈与触点间耐压为 1000VAC/1 分钟，触点与触点间耐压为 1000VAC/1 分钟，触点电流为 3A,绝缘电阻大于等于 1000M，线圈功耗仅为 140mW，线圈电压为 5V，线圈电阻为 178 17.8 （线圈电流 0.0325A 小于晶体管 9013 最大集电极电流 0.5A ），体积小便于安装，特 别导通电

11、阻仅为 50m ，满足本设计任务。单片机端口的输出电流很小， 不能直接驱动继电器正常工作， 所以在电路设计时必须先 把端口信号用三极管 9013 进行放大，然后再用放大的信号去驱动负载工作。继电器与单片 机的接口电路如图 3-2 所示。图 3-2 继电器与单片机的接口电路基于单片机的自动电阻测量仪的设计3.2人机接口的设计3.2.1 键盘的设计在本设计中设置了 4 个按键、 一个开关 ，并采用独立式键盘的查询方式。 开关采用推式 开关，用来在系统电阻测量与电阻筛选两大功能之间切换。4 个按键是系统在筛选模式下用来输入筛选电阻值与筛选误差。按键开关与单片机的接口电路如图 3-3 所示。图 3-3

12、 按键开关与单片机的接口电路图3.2.2 显示电路的设计测量仪采用的是 液晶屏 作为显示器件，其中 D0D7是数据线输入引脚； V0 是液晶显示 器驱动电压，输入； D/I(RS) 为数据 /指令寄存器选择，为 1 时，是数据寄存器，为 0时，是 指令寄存器，输入； R/W为读/ 写选择输入， 为 1 时是读操作， 为 0 时，是写操作； CS1、CS2 是选择芯片左右半屏信号； VOUT是 LCD驱动负电压； LED+、 LED-是 LED背光板电源。由于单片机 P0口没有上拉电阻， 所以在 LCD12864 与单片机的接口电路上应加上上拉电阻。液晶屏与单片机的接口电路如图 3-5 所示。基

13、于单片机的自动电阻测量仪的设计图 3-5 液晶屏与单片机的接口电路3.3 电源的设计在自动电阻测量仪的设计系统中，共需要两个电源。一个是供单片机、 LCD12864 等芯 片正常工作所需要 Vcc，另一个是分压电路和 LTC1864A/D 转换使用的 +5.00V 基准电压 源。 由于整个系统使用的是市电220V，因此需要设计电源电路将市电转化为系统所需要的两个电源。Vcc的设计：市电转化为 Vcc需要经过变压器、 桥式整流、 滤波电路滤波， 再经过 7805 芯片稳压成 5V的直流电压，向主控制器供电。三端稳压电路7805 输入电压应高于输出电压 3V以上（压差较大稳定，但功耗也大， 780

14、5应加大散热片） ，输出电压才稳定。电路图 如图 3-6 所示。图 3-6 给单片机等芯片供电的 5V 电源电路图+5.00V 基准电压源的设计：为了获得高精度的基准源，本设计采用 基准稳压芯片LM385-5V0，产生 +5.00V 的基准电压 ，但是输出电流仅为几个 mA，但是精度很高且温度系数基于单片机的自动电阻测量仪的设计很小（ 30ppm/）。系统中最小档位所需要的最大电流为2.5A ，基准稳压芯片 LM385-5V0的输出电流不能满足系统需求， 为此需要对输出电流进行放大。 给 A/D 转换器和分压电路供 电的+5.00V 高精度电源电路图 3-7 所示。图 3-7 +5.00V 高

15、精度电源电路其中的运放为单电源双运放 LM358（只使用其中的一个） 。需要注意的是 +12V 电源需要 提供至少 4A 的电流，但是这个 +12V不需要稳压，因为 LM358的+12V电源抑制比为 100dB， 电压波动可以忽略。 +12V 是用整流滤波后产生的未稳压电源。但是要慎重选择整流桥，使 整流输出电流大于 4A。为此，为了节约成本可将两个电源合二为一， 其整流部分的二极管至少应该使用 1N5408 这样的 3A 的整流二极管 来构成桥式整流电路，整流后的滤波电容应设为2200uF 25V的铝电解电容和 0.47uF 的独石电容并联。其整个系统电源电路图如图 3-8 所示。9基于单片

16、机的自动电阻测量仪的设计图 3-8 整个系统电源电路图第4章 控制软件的设计4.1 主程序的设计在本系统中，主程序负责的工作有初始化系统、读模式开关、 调 A/D 采样子程序、 调用 数据处理子程序、 读键盘设置筛选值与筛选误差子程序， 显示子程序等等， 主程序流程图如 图 4-1 所示。开始图 4-1 主程序流程图10基于单片机的自动电阻测量仪的设计4.2 子程序的设计4.2.1 读取 A/D 采样值子程序的设计LTC1864 的工作时序如图 4-2 所示。图 4-2 LTC1864 的工作时序图 10 读取 A/D 采样值子程序流程图如图 4-3 所示。11基于单片机的自动电阻测量仪的设计

17、图 4-3 读取 A/D 采样值子程序流程图4.2.2 多次读取 A/D 采样值子程序的设计为防止基准源电压的波动和所带来的 A/D 采样值误差， 我们需要设计这样一个程序来减 小误差： 连续读取 5次 A/D采样值， 去掉一个最大值与一个最小值， 余下的三个采样值求算 术平均值。防止读取 A/D 采样值干扰子程序流程图如图 4-4 所示。12基于单片机的自动电阻测量仪的设计图 4-4开始防止读取 A/D 采样值干扰子程序流程图4.2.3 键盘设置子程序的设计在筛选模式， 要输入筛选值及筛选误差。 为此， 我们设计了设置筛选值与筛选误差子程 序。为此， 我们共设置了四个按键它们分别是： “光标

18、切换 next ”、“数字加一 / 单位加 jia “数字键一 / 单位减 jian ”、“设置完成 ok ”。筛选值为三位整数一位小数外加单位，例如 “999.9k ”。筛选误差为两位整数，单位是，例如“15”。所以，光标共需切换七次，才能进行一次完整设置，这样给用户带来很不方便，为此设计了“设置完成”按键，在光标切 换任何至任何位置时，都可以通过“设置完成”按键，直接完成设置进行筛选。键盘设置子 程序流程图如图 4-5 所示。13基于单片机的自动电阻测量仪的设计返回开始测量模式光标切换标志位K 零全局k1k7 置零模式选择是否弹起Ok是否按下？返回Next 是否按下？Ok 是否按下？Y模式选择是否弹起 测量模式返回NK=1百位K1闪烁Next 是否按下？Next是否按下？K=2K=3 个位的设 置K1+1N小数位的 设置K=2 十位的设 置K1=10?K1=0K1=-1?K1=9K=5 单位的设 置K1-1NK=6误差十位的设置K=7误差十位的设置置K=0图 4-5键盘设置子程序流程图4.2.4 档位选择、数据处理及数据显示子程序的设计该部分程序是整个程序最重要的部分，本部分子程序是调 A/D 采样子程序，然后根据 A/D 采样后的值进行档位选择，将继电器换到合适档位，再调A/D采样子程序和防干扰多次读取 A/D 采样