简易自动电阻测试仪报告(共18页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上2011年全国大学生电子设计竞赛简易自动电阻测试仪（G 题）【高职高专组】 2011年9月1日简易自动电阻测试仪摘 要 电阻是现代电子电路中最常用最常见的电子元件之一，因此对电阻的测量是经常性的工作。根据本届全国电子设计竞赛G题的要求，本系统利用 STC 公司的16位超低功耗单片机 STC12C5A32S2、CD7501和LM358，采用伏安法设计了简易自动电阻测试仪。简易自动电阻测试仪具有：1、阻值测量精确（精度为读数的±1%+2字），2、自动选择合适量程的功能，3、电阻筛选功能，4、数码显示。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。关键词 电阻 测量仪 电子仪器 自动量程转换专心-专注-专业目 录二、理论计算与参数.2 2.1基准电阻计算选择.2 2.2量程切换参数计算.2 034一、总体方案设计1.1电阻测量方法选择 方案一：交流电桥测量法交流电桥的构造及原理均与直流惠斯通电桥相同，电源使用交流电，四臂的阻抗 Z1、Z2、Z3、Z4，可以用电阻、电感、电容或其他组合，电桥平衡的条件是Z1×Z2=Z3×Z4此条件显示交流电桥不同于直流电桥：首先条件有两个，因此，需要调节两个参数才能使电桥平衡；其次，阻抗的多样性可以组合成各具特色的电桥，但非所有电桥都能同时满足达到平衡的条件。方案二：LM358恒流源测量法该方法是给待测电阻提供一个恒定电流，利用单片机的 AD 采集其两端的电压来确定其电阻值。此种方法简单易行，由于电阻变化范围是10010M，电压变化范围太大，而单片机AD 输入范围有限，所以至少需要六个挡才能实现要求的指标。方案三：使用 VFC32压频变换法该方法的基本原理是将电阻的变化变成010V电压的变化，然后控制压频变换芯片产生线性变化的频率值，单片机通过采集频率值来计算电阻大小。该方法电路简单，频率稳定，只需要两个档位即可完成要求范围内电阻值的测量。经过讨论，我们选择了方案二作为我们测量电阻的方案，即伏安法的恒流源测电阻方法。1.2系统整体模块设计 如图所示，本系统主要由基准电阻矩阵模块、自动量程切换模块、恒流源模块、单片机系统、ADC采样模块、数码显示模块、直流稳压电源、控制面板组成。 待测电阻 恒流源ADC采样 单 片 机 系 统 数 码 显 示 自动量程切换 控制面板 基准电阻矩阵基准电阻矩阵：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。二、 理论计算与参数2.1 基准电阻计算选择 欧姆定律可知：I=U/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。2.2量程切换参数计算 由于基准电阻是量程的5倍阻值，因此，ADC对电压采样后的值如果大于205，则需要扩大量程。三、单元电路设计3.1 六路自动量程切换电路选择方案一：小型继电器优势：导通电阻小,继电器电路导通时，导通电阻只有34个欧姆,导通电阻几乎可以忽略不计。通过电流大，最大通过电流达到2A。动作可靠，小型继电器的闭合动作非常可靠。劣势：体积较大，小型继电器是三种方案涉及器件中占用空间最大。需要驱动电路，单片机的P口输出功率不能单独驱动继电器工作，须选用合适的驱动电路。频率不高，继电器受制于机械动作，使其动作频率不能太高。运行噪声，小型继电器运行时产生噪声和电磁噪声。方案二：大功率开关管优势：导通电阻小,大功率开关管导通时，导通电阻只有15个欧姆左右,导通电阻几乎可以忽略不计。通过电流大，最大通过电流达到2A。动作可靠，大功率开关管在控制电压的控制下，动作非常可靠。劣势：体积较大，尤其需要附加散热片，散热片占用的空间比较大。价格贵，大功率开头管，毎个价格一般在35元左右，如果采用六通道电路，导致成本上升。 六路自动量程切换电路方案三：CD7501/CD4501八路模拟开关优势：体积小，八路通道集成在一块集成块上。容易控制，单片机可以通过P口直接控制，切换方便。、占用资源小，采用译码方式，八路通道选择中用三根地址线即可实现选择。动作可靠，在控制电压的控制下，动作非常可靠。劣势：导通电阻较大，导通电阻达到163欧姆。通过电流不大，导通时最大通过电流仅为20mA。结论：通过对以上测试结果进行比较分析，考虑导通电阻可以通过调整基准电阻进行有效补偿，而切换电路正常工作时，通过电流不会超过10mA，综合分析，自动量程切换电路选用最优方案三，即以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。3.2 恒流源的设计根据I=U/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Rx=Uo/I，Uo为DVM。、3.3 单片机的选择与论证方案一：使用AT89C51S2 使用 AT89C51S2单片机作为系统的控制核心。单片机具有体积小，片上资源丰富，使用灵活，易于人机对话，有较强的指令寻址和运算功能等优点，但是该单片机是8位机，运行速度比较慢，功耗较高。方案二：使用 STC12C5A32S29使用 STC12C5A32S29单片机作为系统的控制核心。STC12C5A32S29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STC12C5A32S29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。结论：在此系统中，我们经过细致的思考，最终选择了方案二，用STC12C5A32S29作为整个系统的控制与计算中心，单片机系统电路设计如下图所示。 LM358恒流源电路STC12C5A32S2单片机系统电路3.4 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入部分，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。数码管显示电路四、软件设计 4.1 单片机资源分配 /数码管显示位控制端，低电平有效sbit data0=P21; sbit data1=P22; sbit data2=P23; /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 sbit KorMselect=P20;/量程选择开关控制端，A1A0编码与选通通道的关系为：当P20=0时，00->S1,01->S2,10->S3;/ 当P20=1时，00->S5,01->S6,10->S7。 sbit scaleseletor0=P24;/A0 sbit scaleseletor1=P25;/A1/阻值单位设置 sbit uint_K=P26; /K单位灯控制 sbit uint_M=P27;/M单位灯控制 4.2 软件延时程序void delay(unsigned int i)unsigned int x,y; for(x=200;x>0;x-) for(y=i;y>0;y-);4.3 按键键值读取程序 KorMselect=1; KorMselecttmp=KorMselect; if(KorMselecttmp=1) delay(5); KorMselect=1; KorMselecttmp=KorMselect; if(KorMselecttmp=1) KorM_flag=1; elseKorM_flag=0;4.4 ADC初始化程序void ADC_init()P1ASF=0x01; /指定P1.0为ADC功能 ADC_CONTR=0;AUXR1=0x00; /转换结果位十位ADC_CONTR=0xe0;/九十个机器周期为一个AD转换周期delay(1);4.5 ADC采样驱动程序unsigned int ADProDC(uint m)/连续采样m次，并求m次采样平均值unsigned long adcbuf=0;unsigned long ad_result=0;unsigned int i=0;ADC_CONTR=0; /清除ADC_CONTRADC_CONTR&=0xf8; / 延时ADC_CONTR|=0xe8;while(m-)adcbuf=0;ADC_RES = 0; /清A/D转换结果寄存器 高8位ADC_RESL = 0;ADC_CONTR |= 0x08; /0000，1000ADCS 1，启动转换 delay(1); while(ADC_CONTR&0x10)=0);/0001,0000等待A/D转换结束ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE7; /1110,0111清ADC_FLAG位，停止A/D转/换adcbuf=ADC_RES;adcbuf<<=2;/adcbuf值左移2位ADC_RESL&=0x03; /ADC_RESL值保留低2位值adcbuf+=ADC_RESL; / 计算十位采样值ad_result+=adcbuf; /采样值累加i+; /采样次数加一adcbuf=(unsigned int)(ad_result/i); / 计算i次电压采样平均值return adcbuf; /adcbuf为返回值4.6 被测电阻值计算程序unsigned int SAMPtoRES(uint adcdata,int Smode) float D1, D2; unsigned long databuf; int pen4=6,2,20,0; /各量程补偿粗值 D1=(float)adcdata;/采样数据类型转换为浮点数 D1=D1/1023; D1=(D1*507); D1 = modf(D1, &D2); /分解D1值，整数部分存入D2中，小数部分是返回值 if(D2>=102) /溢出处理 D2=998-penSmode; databuf=(unsigned int)D2; /数据类型转换为整型数 return databuf;4.7数码管显示驱动程序 void RESTODISPLAY() int data_pointor; /七段码表指针 int zero_flag=0; /第一位灭零标志data_pointor=(x/100%10); switch(scale_mode) case 0: /100欧姆量程 if(data_pointor=0)/第一位灭零 P0=0xff; zero_flag=1; else P0=tabdata_pointor; zero_flag=0; break; case 1: /1K欧姆量程 P0=0x40; break; default:/10M欧姆量程 P0=(tabdata_pointor&0x7f); data0=0; data2=1; delay(5); /显示第二位 data_pointor=(x/10%10); switch(scale_mode) case 0:/100欧姆量程 if(data_pointor=0&&zero_flag=1)/第二位灭零 P0=0xff; else P0=tabdata_pointor; break; default: /1K、10K欧姆量程 P0=(tabdata_pointor); data0=1; data1=0; delay(5);/显示第三位 data_pointor=x%10; P0=tabdata_pointor; data1=1; data2=0; delay(5);五、系统测试5.1测试方案1、 硬件测试 断开电源用万用表的蜂鸣档检测电路的通断、短路情况。接通电源检测试电源电压是否供给个模块。按信号流程或者按模块分开检测。3、 硬件软件联调主要是在硬件部分加入软件后记录数据，用来实测误差大小以及电路稳定性。5.2 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，pcb制版是关键不容有丝毫错误，并保证硬件电路无虚焊，否则就要费很大功夫去检查。测试仪器：高精度的数字万用表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。5.3 测试结果及分析5.3.1测试结果(数据)实际数据显示数据实际数据显示数据109.43002943029.55004945049.41k999.5K7069.45K4.5K9089.51M999.5K30K29.42M2.5M50K49.53M 2.4M100K999.45M4.5M500K499.410M9.5M 表一 未修正 实际数据显示数据实际数据显示数据10103000.330295000.550491k9.991009.995K5.0110K9.991M9.9930K0.032M250K0.053M3100K9.995M5500K0.5010M9.99 表二 已修正注：实际数据是由高精度数字万用表测试数据，显示数据是由制作电阻表显示。 为了减少误差本仪器使用了六个档位，为100档、1K档、10K档、100K档、1M档、10M档。100档显示整数,为实际数值，1K档显示0.0X；10K档显示X.XX；100K档显示0.0X;1M档显示0.XX;10M显示00X（0为小数点位数，x为显示的数值，读出的数值均要乘以它的量程，1K与10K的显示要乘以量程1K，100K档的显示-10M档要乘以量程1M,超出量程均显示999；）。5.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，实际值总是大于显示值0.5-0.6，最后在显示程序中统一加0.6，出现表二，由此可以得出以下结论：1、仪器精度达到1%读数2 字2、10K能自动切换量程3、3 位数字显示（最大显示为999），能自动显示小数点和单位。综上所述，本设计达到设计要求。附录1：测试电路实物图 半成品 成品附录2：电路原理图