電阻測量儀設(shè)計

-.z.一、系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計任務與要求STC12C60S2該自動電阻測量儀以STC12C60S2單片機為核心，利用分壓法測量原理，通過A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣，得到的采樣值經(jīng)過單片機處理實現(xiàn)電阻測量,測量結(jié)果通過液晶進行顯示。同時顯示篩選結(jié)果指示，“↑”表示被測電阻偏大，“ok”表示被測電阻滿足篩選要求，“↓”表示被測電阻偏小。重點研究內(nèi)容與實現(xiàn)方法本設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要包括單片機主控系統(tǒng)、基準電壓產(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)計重點是單片機主控系統(tǒng)、選擇合適A/D轉(zhuǎn)換器、基準電壓產(chǎn)生電路和量程切換電路，設(shè)計難點是大功率、高精度基準電壓源和電阻測量方案的選擇。軟件設(shè)計主要是編寫程序。需要完成系統(tǒng)初始化、檔位選擇、電阻測量、電阻值顯示、鍵盤程序等工作。設(shè)計的難點是電阻測量算法和鍵盤程序的設(shè)計。主控模塊在整個電路中，電阻值的測量、計算和顯示，量程的自動換檔和鍵盤設(shè)置等復雜任務的處理都要依靠單片機來完成，采用一款我們可靠、高性能的單片機，是保證我們完成整個任務的基石，所以我們選擇低電壓高性能的微控制器STC12C60S2。STC12C60S2單片機作為整機的控制單元，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進行處理，處理后的數(shù)據(jù)送到液晶顯示模塊顯示。該設(shè)計采用分壓測量原理，加上16位A/D可有效的減小電阻的測量誤差。電阻測量方案電阻測量方案的選取直接關(guān)系到系統(tǒng)的測量精度和數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)計，電阻測量目前可有多種方案。方案：采用分壓法，通過測量分壓值，按照電阻分壓公式計算出。該方案電路穩(wěn)定，受外界影響小，測量精度高，且測量*圍較寬。另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，而且設(shè)計周期短，性價比高。電壓信號采集模塊方案：設(shè)置基準電壓源電路，當測試被測電阻時，產(chǎn)生對應的電壓值，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，通過軟件對數(shù)字量進行處理，將所測值顯示在液晶顯示屏上，這個方法滿足系統(tǒng)對各項性能指標的要求。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）之間的互動關(guān)系。采用4個繼電器分別控制不同電阻測試檔位。最主要的優(yōu)點是繼電器的觸點電阻很小，毫歐級別，可以滿足小電阻測量時的精度要求。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。電源模塊方案：采用線性直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源制作簡單，輸出穩(wěn)定，性價比較高?；鶞孰妷耗K基準電壓源具有低電壓低功耗和低溫漂高精度的優(yōu)點，且是標準CMOS工藝兼容，結(jié)構(gòu)新穎，綜合性能優(yōu)異，完全滿足本設(shè)計的要求。各模塊方案確認（1）主控模塊：選用STC12C60S2（2）電阻測量方案：電阻測量采用分壓測量法。（3）信號采集模塊：信號采集電路選用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）基準電壓模塊：基準電壓源。自動電阻測量儀的設(shè)計原理框圖自動電阻測量儀的設(shè)計的原理框圖如圖1-1所示。圖1-1自動電阻測量儀的設(shè)計的原理框圖如上圖所示，該設(shè)計的原理可以概括：上電后，可以通過模式選擇開關(guān)選擇系統(tǒng)是處于測量模式還是篩選模式。系統(tǒng)處于測量模式時，當測試被測電阻時，通過分壓電路和繼電器切換電路產(chǎn)生對應的電壓值，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，通過軟件對數(shù)字量進行處理，將所測阻值顯示在液晶顯示屏上。如果被測電阻電阻值超出儀表量程，將啟動報警電路；系統(tǒng)處于篩選模式時，先通過鍵盤輸入篩選值和篩選誤差，然后測試被測電阻，液晶屏同時顯示被測電阻值和篩選值及篩選誤差，當被測電阻偏大，液晶屏顯示“↑”，當被測電阻滿足篩選要求，液晶屏顯示“ok”，當被測電阻偏小，液晶屏顯示“↓”。系統(tǒng)理論分析與計算電阻測量原理分壓即電阻串聯(lián)分壓，在電路中被測電阻R1和一個高精度的已知基準電阻R2串聯(lián)，并在兩個電阻的兩端中一端加一個已知的高精度的基準電壓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)過單片機計算可得出被測電阻的阻值。圖2-1分壓電路圖自動換檔原理和每檔精確分壓電阻的計算方法換檔電路由五個繼電器電路組成，換檔過程可以概括如下：首先通過單片機將全量程檔位接通，對電阻進行一次粗測。然后單片機根據(jù)粗測結(jié)果，將繼電器切換至合適量程的檔位，對電阻進行精確測量（其實可以首先用最大電阻檔進行粗測，然后換用合適檔位即可。這是本設(shè)計的方案選取的一個缺陷）。每檔分壓電阻的選取直接關(guān)系到測量結(jié)果的精度，由于被測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電阻分得的電壓至少為基準電壓的90%以上。對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）。系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計主控模塊的設(shè)計單串行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*圍內(nèi)工作，最大工作電流為850μA,最大采樣率250ksps，供電電流隨采樣速率的降低而減小[6]。LTC1864與單片機的接口電路見圖3-1所示。圖3-1LTC1864與注意電阻電容值單片機的接口電路注意電阻電容值檔位切換電路換檔電路由五個繼電器電路組成，換檔過程可以概括如下：首先通過單片機將全量程檔位接通，對電阻進行一次粗測。然后單片機根據(jù)粗測結(jié)果，將繼電器切換至合適量程的檔位，對電阻進行精確測量。本設(shè)計所用繼電器為松下公司T*系列的信號繼電器，具體型號為T*2-5V。型號繼電器線圈與觸點間耐壓為1000VAC/1分鐘，觸點與觸點間耐壓為1000VAC/1分鐘，觸點電流為3A,絕緣電阻大于等于1000MΩ，線圈功耗僅為140mW，線圈電壓為5V，線圈電阻為178Ω±17.8Ω（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，特別導通電阻僅為50mΩ，滿足本設(shè)計任務。單片機端口的輸出電流很小，不能直接驅(qū)動繼電器正常工作，所以在電路設(shè)計時必須先把端口信號用三極管9013進行放大，然后再用放大的信號去驅(qū)動負載工作。繼電器與單片機的接口電路如圖3-2所示。注意電阻阻值注意電阻阻值圖3-2繼電器與單片機的接口電路人機接口的設(shè)計鍵盤的設(shè)計在本設(shè)計中設(shè)置了4個按鍵、一個開關(guān)，并采用獨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)電阻測量與電阻篩選兩大功能之間切換。4個按鍵是系統(tǒng)在篩選模式下用來輸入篩選電阻值與篩選誤差。按鍵開關(guān)與單片機的接口電路如圖3-3所示。圖3-3按鍵開關(guān)與單片機的接口電路圖顯示電路的設(shè)計測量儀采用的是液晶屏作為顯示器件，其中D0—D7是數(shù)據(jù)線輸入引腳；V0是液晶顯示器驅(qū)動電壓，輸入；D/I(RS)為數(shù)據(jù)/指令寄存器選擇，為1時，是數(shù)據(jù)寄存器，為0時，是指令寄存器，輸入；R/W為讀/寫選擇輸入，為1時是讀操作，為0時，是寫操作；CS1、CS2是選擇芯片左右半屏信號；VOUT是LCD驅(qū)動負電壓；LED+、LED-是LED背光板電源。由于單片機P0口沒有上拉電阻，所以在LCD12864與單片機的接口電路上應加上上拉電阻。液晶屏與單片機的接口電路如圖3-5所示。圖3-5液晶屏與單片機的接口電路電源的設(shè)計在自動電阻測量儀的設(shè)計系統(tǒng)中，共需要兩個電源。一個是供單片機、LCD12864等芯片正常工作所需要Vcc，另一個是分壓電路和LTC1864A/D轉(zhuǎn)換使用的+5.00V基準電壓源。由于整個系統(tǒng)使用的是市電220V，因此需要設(shè)計電源電路將市電轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的兩個電源。Vcc的設(shè)計：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輸入電壓應高于輸出電壓3V以上（壓差較大穩(wěn)定，但功耗也大，7805應加大散熱片），輸出電壓才穩(wěn)定。電路圖如圖3-6所示。圖3-6給單片機等芯片供電的5V電源電路圖+5.00V基準電壓源的設(shè)計：為了獲得高精度的基準源，本設(shè)計采用基準穩(wěn)壓芯片LM385-5V0，產(chǎn)生+5.00V的基準電壓，但是輸出電流僅為幾個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，為此需要對輸出電流進行放大。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放為單電源雙運放LM358（只使用其中的一個）。需要注意的是+12V電源需要提供至少4A的電流，但是這個+12V不需要穩(wěn)壓，因為LM358的+12V電源抑制比為100dB，電壓波動可以忽略。+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)約成本可將兩個電源合二為一，其整流部分的二極管至少應該使用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設(shè)為2200uF／25V的鋁電解電容和0.47uF的獨石電容并聯(lián)。其整個系統(tǒng)電源電路圖如圖3-8所示。圖3-8整個系統(tǒng)電源電路圖控制軟件的設(shè)計主程序的設(shè)計在本系統(tǒng)中，主程序負責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，主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖子程序的設(shè)計讀取A/D采樣值子程序的設(shè)計LTC1864的工作時序如圖4-2所示。圖4-2LTC1864的工作時序圖[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多次讀取A/D采樣值子程序的設(shè)計為防止基準源電壓的波動和所帶來的A/D采樣值誤差，我們需要設(shè)計這樣一個程序來減小誤差：連續(xù)讀取5次A/D采樣值，去掉一個最大值與一個最小值，余下的三個采樣值求算術(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鍵盤設(shè)置子程序的設(shè)計在篩選模式，要輸入篩選值及篩選誤差。為此，我們設(shè)計了設(shè)置篩選值與篩選誤差子程序。為此，我們共設(shè)置了四個按鍵它們分別是：“光標切換ne*t”、“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，光標共需切換七次，才能進行一次完整設(shè)置，這樣給用戶帶來很不方便，為此設(shè)計了“設(shè)置完成”按鍵，在光標切換任何至任何位置時，都可以通過“設(shè)置完成”按鍵，直接完成設(shè)置進行篩選。鍵盤設(shè)置子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5鍵盤設(shè)置子程序流程圖檔位選擇、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示子程序