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A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，得到的采樣值經(jīng)過單片機(jī)處理實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量,測(cè)量結(jié)果通過液晶進(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)、選擇合適A/D轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)

2、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、鍵盤程序等工作。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是電阻測(cè)量算法和鍵盤程序的設(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)換檔和鍵盤設(shè)置等復(fù)雜任務(wù)的處理都要依靠單片機(jī)來完成，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)

3、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。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，性價(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轉(zhuǎn)換，將所獲得的數(shù)字量送至單片機(jī)，通過軟件對(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)方法滿足系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)

4、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)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）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、視覺舒適，能夠顯示圖形和漢字，滿足本系統(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。線性穩(wěn)壓電源制作簡(jiǎn)單，輸出穩(wěn)定，性價(jià)比較高。1.3.7 基準(zhǔn)電壓模塊基準(zhǔn)電壓源具有低電壓低功耗和低溫漂高精度的優(yōu)點(diǎn)，且是標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼

5、容，結(jié)構(gòu)新穎，綜合性能優(yōu)異，完全滿足本設(shè)計(jì)的要求。1.3.8 各模塊方案確認(rèn)（1）主控模塊：選用STC12C60S2（2）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）基準(zhǔn)電壓模塊：基準(zhǔn)電壓源。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，可以通過模式選擇開關(guān)選擇系統(tǒng)是處于測(cè)量模式還是篩選模式。

6、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)，先通過鍵盤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)

7、，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)過單片機(jī)計(jì)算可得出被測(cè)電阻的阻值。圖2-1 分壓電路圖自動(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，換檔過程可以概括如下：首先通過單片機(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。

8、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)電壓的90%以上。對(duì)于全量程檔位的分壓電阻除了滿足上面條件外，還要保證在每檔分界電阻處分得的電壓通過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

9、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)的接口電路見圖3-1所示。 圖3-1 LTC1864與注意電阻電容值單片機(jī)的接口電路3.1.2 檔位切換電路 換檔電路由五個(gè)繼電器電路組成，換檔過程可以概括如下：首先通過單片機(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TX2-5V。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，

10、線圈電壓為5V，線圈電阻為17817.8（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)通電阻僅為50m，滿足本設(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。注意電阻阻值圖3-2 繼電器與單片機(jī)的接口電路3.2 人機(jī)接口的設(shè)計(jì)3.2.1 鍵盤的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中設(shè)置了4個(gè)按鍵、一個(gè)開關(guān)，并采用獨(dú)立式鍵盤的查詢方式。開關(guān)采用推式開關(guān)，用來在系統(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)在篩選模式下用來輸

11、入篩選電阻值與篩選誤差。按鍵開關(guān)與單片機(jī)的接口電路如圖3-3所示。 圖3-3 按鍵開關(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/寫選擇輸入，為1時(shí)是讀操作，為0時(shí)，是寫操作；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

12、所示。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)過變壓器、橋式整流、濾波電路濾波，再經(jīng)過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，7805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

13、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)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)長(zhǎng)

14、M358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的整流二極管來構(gòu)成橋式整流電路，整流后的濾波電容應(yīng)設(shè)為2200uF25V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。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、讀鍵盤設(shè)置篩選值與篩選誤差子程序，顯示子程序等等

15、，主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖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。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)和所帶來的A/D采樣值誤差，我們需要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)程序來減小誤差：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。圖4-4 防止讀取A/D采樣值干擾子程序流程圖4.2.

16、3 鍵盤設(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)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，這樣給用戶帶來很不方便，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“設(shè)置完成”按鍵，直接完成設(shè)置進(jìn)行篩選。鍵盤設(shè)置子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5 鍵盤設(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