簡易自動電阻測試儀1

1、無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院全國電子設(shè)計大賽設(shè)計論文項目：簡易自動電阻測試儀參賽人員：李宇偉、周建龍、葉中英院 系： 電子工程學(xué)院指導(dǎo)老師： 李泓、何丹時 間：2011年8月31日參賽編號： 510032 摘要：本設(shè)計介紹了一種簡易自動電阻測試儀，包括系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。本測試儀以CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機C8051F410構(gòu)成的最小系統(tǒng)為控制核心，由電阻測量模塊，步進電機驅(qū)動模塊，LCD顯示、按鍵模塊，電源電路等模塊構(gòu)成。能夠為 100、1k、10k、10M四檔進程量程，測量準確度為（1%讀數(shù)2 字）；100、1k、10k三檔量程具有自動量程轉(zhuǎn)換功能。另外本系統(tǒng)還具有具有自動電阻

2、篩選、自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線等功能。關(guān)鍵詞：C8051F電阻測量 步進電機驅(qū)動目 錄一、前言2二、方案比較與論證22.1 電阻測量方案論證與選擇22.2 A/D模塊方案論證與選擇32.3 電機模塊方案論證與選擇32.4電機驅(qū)動模塊論證與選擇42.5 微控制器模塊論證與選擇42.6 顯示模塊論證與選擇5三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計53.1 系統(tǒng)總體設(shè)計53.2 電阻測量硬件電路設(shè)計63.3 步進電機驅(qū)動模塊硬件設(shè)計63.4 液晶顯示、按鍵模塊硬件設(shè)計73.5電源電路模塊8四、系統(tǒng)軟件設(shè)計94.1 主程序設(shè)計94.2 子程序設(shè)計10五、系統(tǒng)調(diào)試及系統(tǒng)功能、指標參數(shù)125.1 主要測試儀

3、器125.2 基本功能測試125.3 發(fā)揮部分功能測試135.4 其他功能測試13六、設(shè)計總結(jié)14參考文獻15附錄16一、前言本次競賽G題要求設(shè)計并制作一臺簡易自動電阻測試儀。能夠?qū)?00、1k、10k、10M四個量程檔進行測量，測量準確度為（1%讀數(shù)2 字）；3 位數(shù)字顯示（最大顯示數(shù)必須為 999），能自動顯示小數(shù)點和單位,測量速率大于 5 次/秒；100、1k、10k三檔量程具有自動量程轉(zhuǎn)換功能；具有自動電阻篩選功能等任務(wù)。根據(jù)該題目的要求，我們組設(shè)計了以下幾種方案并對各方案進行了論證與分析。二、方案比較與論證在進行本設(shè)計前我們對各功能模塊進行了比較論證和選擇。2.1 電阻測量方案論證與

4、選擇方案一：交流電橋測量法交流電橋的構(gòu)造及原理均與直流惠斯通電橋相同，電源使用交流電，四臂的阻抗 Z1、Z2、Z3、Z4，可以用電阻、電感、電容或其他組合，電橋平衡的條件是此條件顯示交流電橋不同于直流電橋：首先條件有兩個，因此，需要調(diào)節(jié)兩個參數(shù)才能使電橋平衡；其次，阻抗的多樣性可以組合成各具特色的電橋，但非所有電橋都能同時滿足達到平衡的條件。方案二：LM334恒流源測量法該方法是給待測電阻提供一個恒定電流，利用單片機的 AD 采集其兩端的電壓來確定其電阻值。此種方法簡單易行，但是由于電阻變化范圍是10010M，電壓變化范圍太大，而單片機AD 輸入范圍有限，所以至少需要六個擋才能實現(xiàn)要求的指標。

5、方案三：直接測量法，也叫轉(zhuǎn)換測量法。測量時，把電阻歐姆先轉(zhuǎn)換成別的量再測量。比如把被測量電阻施加以一個已知的電壓，那么再測量流過電阻的電流，根據(jù)歐姆定律，這個電流與電阻成正比。因此，我們采用測量這個電壓，就可以得到電阻值。直接測量簡單快速，但轉(zhuǎn)換后很多因素直接參與誤差貢獻，比如恒流源的精度、電壓表的精度都直接影響被測電阻值。方案四：電阻電壓轉(zhuǎn)換測量法，采用R/U轉(zhuǎn)換器將被測電阻轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機控制輸出顯示被測電阻值到LCD。經(jīng)過討論，我們選擇了方案四作為我們測量電阻的最終方案。2.2 A/D模塊方案論證與選擇方案一：采用專門的A/D芯片來

6、完成電壓的采集與轉(zhuǎn)換，在測量速度和精度上都能滿足本設(shè)計的要求，但是需要額外的硬件，故性價比不高，且增加了系統(tǒng)的功耗。方案二：采用單片機C8051F410內(nèi)部有一個12位SAR ADC和一個27通道單端輸入多路選擇器，該ADC的最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps。既能滿足設(shè)計的要求有可以節(jié)省硬件電路開支。經(jīng)比較我們采用方案二。2.3 電機模塊方案論證與選擇方案一：采用直流電機直流電機速度快，價格便宜，通過調(diào)節(jié)電流來改變速度，驅(qū)動電路簡單，調(diào)速范圍廣，調(diào)速特性平滑。但其轉(zhuǎn)距小，帶有大負載時很容易堵轉(zhuǎn)；而且由于其速度較快，不易控制，精確度低，不適合應(yīng)用在本題。方案二：采用減速電機減速電機也是通過控制電流來

7、改變速度的，而且其內(nèi)部有減速齒輪箱，轉(zhuǎn)距大，速度較步進電機快。不適合應(yīng)用在本設(shè)計。方案三：采用步進電機步進電機是一種能將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機構(gòu)，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，其精確度高。通過分析題目要求，步進電機可以達到題目要求的精度，而且價格適中，控制簡單。綜上所述，我們決定采用步進電機。2.4電機驅(qū)動模塊論證與選擇方案一：采用大功率三極管，二極管，電阻電容等元件 采用上述元件搭建兩個H橋，通過對各路信號放大來驅(qū)動電機，原理簡單。但由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。方案二：采用L297

8、+L298驅(qū)動芯片L298N芯片是較常用的電機驅(qū)動芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能；其輸出電壓最高可達50V，可用單片機的I/O口提供信號，采用一塊L298+一塊L297芯片可一驅(qū)動一個兩相步進電機，電路簡單、易用、穩(wěn)定，具有較高的性價比。而且該電機驅(qū)動芯片使用細分方式時能克服步進電機在低頻工作時會有振動大、噪聲大的缺點。綜上所述，我們決定采用方案二。2.5 微控制器模塊論證與選擇方案一：采用可編程邏輯器件CPLDCPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。其采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理

9、速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高，且從使用及經(jīng)濟的角度考慮，我們放棄了此方案。方案二：采用單片機控制器選用CYGNAL公司的C8051F41x器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器核（可達 50MIPS），全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)），真12位200ksps的24通道ADC，帶模擬多路器，兩個12位電流輸出 DAC，高精度可編程的 24.5MHz 內(nèi)部振蕩器，達32KB 的片內(nèi) FLASH 存儲器，低功耗，性價比高，完全可以勝任本系統(tǒng)的控制工作。綜上所述，我們

10、決定采用方案二。2.6 顯示模塊論證與選擇方案一：使用數(shù)碼管顯示數(shù)碼管具備數(shù)字接口，顯示清晰，價格較低，性價比非常高，方便易行能夠滿足數(shù)字及部分符號的顯示，但是不能顯示字符及繪圖，故不能滿足本設(shè)計的要求。方案二：采用圖形液晶顯示圖形液晶屏具有顯示質(zhì)量高，數(shù)字式接口，體積小，質(zhì)量輕，功耗功率小的特點，能夠滿足數(shù)字及圖形符號的顯示，能夠滿足本設(shè)計的要求。綜上所述，我們決定采用方案二。三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計本簡易自動電阻測試儀采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機C8051F410。該系統(tǒng)主要包括電阻測量模塊，步進電機驅(qū)動模塊，LCD顯示、按鍵模塊，電源電路等功能模塊。

11、基于上述各方案的論證與分析，我們確定了最終方案。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖圖所示。L297+L298步進電機驅(qū)動模塊單片機最小系統(tǒng)板液晶顯示模塊按鍵模塊電阻測試電路步進電機電源供電模塊圖3.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖為了滿足發(fā)揮部分能自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線，要求曲線各點的測量準確度為（5%讀數(shù)2 字）,全程測量時間不大于 10 秒,測量點不少于 15 點。特設(shè)計了一個輔助裝置連接的示意圖如圖所示。圖輔助裝置連接示意圖3.2 電阻測量硬件電路設(shè)計電阻電壓轉(zhuǎn)換測量法，采用R/U轉(zhuǎn)換器將被測電阻轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機控制輸出顯示被測電阻

12、值到LCD。被測電阻R接到測量端子上，電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器構(gòu)成量程轉(zhuǎn)換和電阻電壓轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出顯示被測電阻值，電路原理如圖所示。圖 電阻測量原理圖3.3 步進電機驅(qū)動模塊硬件設(shè)計我們用L297+L298來驅(qū)動兩相步進電機，L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達25 A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本設(shè)計

13、我們選用驅(qū)動一臺電動機。其中CLK,DIR,EN分別接單片機P0.2，P0.3，P0.1口，D1D4快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流。為保證L298N正常工作，我們加裝片外續(xù)流二極管IN4007，詳細步進電機的控制原理圖如圖3.3.1所示。圖3.3.1步進電機驅(qū)動模塊電路原理圖3.4 液晶顯示、按鍵模塊硬件設(shè)計顯示模塊我們采用了圖形液晶屏，它具有顯示質(zhì)量高，數(shù)字式接口，體積小，質(zhì)量輕，功耗功率小的特點，能夠滿足數(shù)字及圖形符號的顯示，能夠滿足本設(shè)計的要求接口電路原理如圖所示。圖 液晶接口電路原理圖按鍵電路采用6個獨立式按鍵，其中當(dāng)鍵S1按下時，功能鍵用于切換電阻測量和電阻篩選功能及電位器曲線測量；當(dāng)

14、S2、S3、S4、S5鍵按下時，是在電阻篩選界面有用，S2用于切換電阻值還是誤差值；S3是切換電阻的單位是歐姆、K、M；S4是切換輸入的哪一位；S5是在切換到的當(dāng)前位改變數(shù)值；S6是電位器曲線測量界面時有用，按一次執(zhí)行一次電位器曲線測量；電路原理如圖3.3.2所示。圖 按鍵連接電路原理圖3.5電源電路模塊本系統(tǒng)需要用到+12V和5V三種電源，步進電機采用+12V供電，運放OP07采用5V供電，其他各模塊電路采用+5V供電，由三端穩(wěn)壓集成電路LM7812、LM7805和LM7905構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電源能夠滿足本設(shè)計的要求，電路框圖如圖3.5.1所示，電路原理圖如圖3.5.2所示。這樣可以保持整個系

15、統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。220V市電橋式整流濾波電路LM7812LM7805LM7905+12V+5V-5V圖 電源電路框圖圖 電源電路原理圖四、系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計的方法，整個程序包括主程序、A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換子程序、LCD顯示程序、按鍵處理字程序。所有的程序均采用C語言編寫，可以很方便地調(diào)試和下載程序代碼。限于篇幅，本文只給出主程序的流程圖及按鍵處理流程圖。4.1 主程序設(shè)計系統(tǒng)主程序流程圖如圖圖 所示。圖 主程序流程圖4.2子程序設(shè)計子程序流程圖如圖圖所示。圖4.2.1 按鍵處理流程圖五、系統(tǒng)調(diào)試及系統(tǒng)功能、指標參數(shù)5.1 主要測試儀器（1）TDS1002數(shù)字示波器（2）M

16、FG-8250A波形發(fā)生器（3）勝利VC9806 數(shù)字萬用表（4）TH2820型電橋5.2 基本功能測試在實驗調(diào)試過程中我們每個測量量程檔選用2個電阻進行測量，下表就是我們測試的實際電阻值和測量電阻值數(shù)據(jù)，以及測量誤差。量程檔實際電阻值測量電阻值誤差10010.309.890-3.9%20.4320.10-1.6%47.0547.250.4%61.9462.090.4%82.2582.420.2%100.01100.30.3%1K200.3197.3-1.4%390.6388.70.5%610.6610.60%825.3825.0-0.03%995.0991.4-0.4%10K1.975K1.

17、935 K-2%3.895K3.866 K-0.7%6.247K6.231 K-0.3%8.253K8.248 K-0.06%10.01K10.01 K0%10M51.23K51.08 K-0.3%5.113M5.202 M1.7%10.09M10.1 M0.09%注：實際電阻值采用勝利VC9806 數(shù)字萬用表測得。5.3 發(fā)揮部分功能測試自動電阻篩選功能測試，即在進行電阻篩選測量時，我們通過鍵盤輸入要求的電阻值和篩選的誤差值；測量時，儀器能在顯示被測電阻阻值的同時，給出該電阻是否符合篩選要求的指示。如我們通過鍵盤輸入2K電阻值，當(dāng)給一個5.6K的被測電阻時會顯示不合格，當(dāng)給一個2K電阻時會顯

18、示實測電阻值及判斷合格。自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線，要求曲線各點的測量準確度為（5%讀數(shù)2 字）,全程測量時間不大于 10 秒,測量點不少于 15 點。我們采用測量40點，來繪制曲線，測得測量使用最長時間為6.8s，并且測量曲線時幅度自動按比例縮放。測量曲線如圖所示。圖 實測電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線5.4 其他功能測試1、電位器測量時如果電位器損壞（開路）表棒沒接，有LED顯示報警能保護被測電位器，防止損壞；2、電位器測量時自動回零，并開始測量。六、設(shè)計總結(jié)我們的簡易自動電阻測試儀能夠完成基本部分和部分發(fā)揮部分的要求，即能夠完成測量量程為 100、1k、10k、10M四檔，

19、測量準確度為（1%讀數(shù)2 字）；3 位數(shù)字顯示（最大顯示數(shù)必須為 999），能自動顯示小數(shù)點和單位,測量速率大于 5 次/秒；100、1k、10k三檔量程具有自動量程轉(zhuǎn)換功能；自動電阻篩選功能測試，即在進行電阻篩選測量時，我們通過鍵盤輸入要求的電阻值和篩選的誤差值；測量時，儀器能在顯示被測電阻阻值的同時，給出該電阻是否符合篩選要求的指示；能夠自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線，要求曲線各點的測量準確度為（5%讀數(shù)2 字）,全程測量時間不大于7 秒,測量點達到40點。參考文獻1 王松武. 電子測量儀器原理及應(yīng)用（1）.哈爾濱工程大學(xué)出版社,2004.2 林占江. 電子測量技術(shù). 電子工業(yè)

20、出版社,2007.3 林占江. 電子測量儀器原理與使用.電子工業(yè)出版社,2006. 4 譚浩強. C 語言程序設(shè)計(第三版). 清華大學(xué)出版社,2005. 5 馬忠梅，籍順心.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計.北京航空航天大學(xué)出版社，2003.11.6 李朝青. 單片機原理及接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社,2005.附錄1、系統(tǒng)原理圖2、系統(tǒng)軟件（主程序及關(guān)鍵子程序）系統(tǒng)主程序void main(void) unsigned char keyin; unsigned char keyvalue; unsigned char keyrelease; unsigned char loopcount;

21、 keyrelease=1; keyvalue=0xff; loopcount=0; scale=0; Init_Device(); delay_ms(100); lcd_init(); delay_ms(2); keyrelease=1; status=0; refbit0=0; refbit1=1; refbit2=0; refbit3=0; refq=1; refres=100000; errorbit0=1; errorbit1=0; errorbit2=0; errorvalue=100; RED=0; EN=1; parasel=0; blank=0; dis_fun(); P1M

22、DOUT&=0x0f; P0MDOUT&=0x0f; blankdel=0; DIR=0; EN=0; for(;) /按鍵掃描及處理 keyin=keyscan(); if(keyin!=0xff) delay_ms(10); keyin=keyscan(); if(keyin!=0xff) if(keyrelease=1) keyrelease=0; keyvalue=keyin; else keyrelease=1; keyprocess(keyvalue); keyvalue=0xff; else delay_ms(10); keyrelease=1; keyprocess(keyvalue); keyvalue=0xff; if(loopcount10) loopcount+; else loopcount=0; /正常測量 if(status=0)&(loopcount=0) /電阻測量 measure(); disres(); if(status=1)&(loopcount=0) / 篩選功能 measure(); disres(); valid(); if(blankdel=400)&(status=1) blank=0; disrefres(); diserror(); 電阻測量子程序void measure(void) /測