1、基于單片機的小電阻測試儀摘要：本文提出了基于單片機的小電阻測量的設計方案，該測試儀通過檢測小電阻兩端的電壓差，經過高精度的電壓放大過后，該電壓信號經A/D轉換器后將模擬信號轉化為數字信號。最后將數字信號送入AT89C51單片機，經過軟件濾波和誤差處理，在LCD上顯示輸出相應的電阻值。該儀器的特點是電路設計簡單、測溫精度高、實用性強。關鍵詞：測試儀，小電阻，A/D，AT89C51，LCDAbstract:The text proposed revivification of the resistance of designs, the dosimeters through detecting t

2、he electrical resistance equal to voltage with high precision, the enlargement of the signal, the voltage converter by a d the analog signals into digital signal. the figures at89c51 monolithic integrated circuits after the signal is sent, filter software and error, the LCD display the output of res

3、istance. the instrument is a circuit design simple, temperature and practicality. high precision。Keywords:IC Temperature Sensor, Temperature Measurement, A/ D, AT89C51, LED目錄1 前言22 整體方案設計32.1 方案論證42.2 方案比較53 單元模塊設計63.1 電阻檢測模塊63.2 測量信號轉換模塊73.2.1 測量信號轉換模塊原理73.2.2 ICL7135介紹84 軟件設計115 系統調試135.1 硬件調試135.

4、1.1 恒流源調試135.1.2 弱信號放大器調試135.2 軟件調試146 系統功能和指標參數167 總結177.1 設計小結177.2 設計收獲177.3 設計改進178 參考文獻18附錄1：電路總圖19附錄2：軟件代碼201 前言在電路測試過程中常常會碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實驗數據與理論值之間存在較大誤差，從而影響測試效果。例如電感器、變壓器中往往存在銅電阻，地鐵鐵軌的電阻；由于其數值較小，一般的指針萬用表無法測量出來；通常實驗室里會用電橋進行測量，但電橋操作手續較煩，又不能直接讀出被測電阻阻值。鑒于此，我們采用了單片機，利用單片機的優勢設計了該測量儀。該測量儀可直接從LCD顯

5、示屏上讀出所測得的電阻值，測量范圍為1m1。該測試儀的測量精度高達±0.1%，并采用四端測量法，電阻值不受引線長短及接觸電阻的影響。不僅測量簡便，讀數直觀，且測量精度、分辨率也高于一般電橋。可用于實驗室、研究所，尤其適用于工作現場。 2 整體方案設計本設計的整體思路是：通過測量待測電阻兩端的電壓，通過集成運放進行放大，再將該電壓信號通過A/D轉換器轉換為數字信號，將數字信號送入AT89C51單片機，進行軟件濾波和誤差處理，最后通過LCD輸出顯示測量電阻值。2.1 方案論證設計中主要采用了兩個方案，具體的方案見方案一和方案二。方案一：電橋測量方案采用電橋方法測量方法，其電壓變化關系非線

6、性，由于電路工作時，各個電阻產生熱量引起溫度升高會引起電阻值的變化，這樣所測數據不穩定，最后輸出的結果不能達到我們所要求的精度。電橋電路放大電路A/D轉換電路AT89C51單片機LCD液晶顯示圖2.1 測量電阻方案一框圖方案二：恒流源測量方案見圖2.2.將待測電阻兩端通過一恒定電流，這樣電阻兩端的電壓為電阻與電壓的積，電路中通過的電流較小，待測電阻的阻值也很小，電阻所產生的熱量可忽略不計，這樣消除了溫度對測量精確性的影響，將測量電壓通過差分式放大電路，通過A/D轉換電路轉換為數字信號，送入單片機中進行處理，最后將測量結果顯示在LCD顯示器上。恒流源電路放大電路A/D轉換電路單片機模塊LCD顯示

7、模塊圖2.2 測量電阻方案二框圖2.2 方案比較由于方案一中測量精度不夠，線性度也不好，消耗的功率相對較大。而方案二中，讓待測電阻通過一恒流源，能夠產生一穩定的電壓，并且線性慣性非常好，精度也能達到要求，因此設計采用了方案二。3 單元模塊設計硬件部分主要分為檢測模塊和轉換模塊。最后將轉換的數字信號送入單片機中進行處理，最后顯示輸出在LCD顯示器上。3.1 電阻檢測模塊電阻檢測模塊首先要有一恒流源加在待測電阻兩端，恒流源電路圖如下：圖3.1恒流源原理圖上圖中，恒流源產生的電流大小由，滑動電位器W2和加在兩端的電源決定,即： （1）在（1）式中，,為電源電壓，在測試儀中取9V，取理論值0.7V，令

8、恒流源電流為0.16A，計算可得出W2為103.75，由于沒有此標稱值的電阻，可用一1K的滑動電位器代替，調試時應該先從1K往下調節，以避免通過電流過大，損壞元件。此部分電路可產生一恒定電流，電流大小為0.16A。 電阻檢測模塊還包括一個電壓放大模塊，此模塊使用差動放大器。因為差動放大器具有雙端輸入單端輸出，共模抑制比較高的特點，通常用作傳感器或測量儀器的前端放大器。由于測量的是小電阻電壓，屬于檢測微弱信號，采用差動放大器可獲得較高的共模抑制比，增強電路的抗干擾能力。電路原理圖如下：圖3.2弱信號檢測放大器原理圖上圖為弱信號檢測放大器，J2為待測電阻的測量端口，該電路的放大增益為： （2）測試

9、儀中取=100K,設計要求檢測0.0011電阻，經過分析放大倍數為30倍時能達到設計要求，且有較好的線性關系和非常小的誤差。，經計算W1=0.827k，取一個大小為10k的滑動電位器能滿足要求。3.2 測量信號轉換模塊測量信號轉換模塊將前級檢測放大的模擬電壓轉換為數字信號，最后送入AT89C51單片機處理顯示。 測量信號轉換模塊原理電路原理圖如下：圖3.3測量信號轉換模塊原理圖測量信號轉換模塊，將放大后的模擬電壓信號送入A/D轉換器轉換為數字信號，該模塊使用的AD轉換器為ICL7135,其輸出信號可由該公式計算,即：輸出數字量= (3)在本次設計中，輸出量由ICL7135的BUSY端口送入單片

10、機，由于單片機的ALE端口輸出信號為單片機在正常工作情晶振頻率的六分之一，本系統中，使用12MHz，所以在此處為ALE輸出頻率2MHz。再通過兩個Q觸發器所構成的4分頻模塊，最后送入ICL7135的CLK管腳的時鐘頻率為500KHz。配置好單片機的工作方式為外部信號輸入計數模式后，單片機所接收到BUSY端口送入的脈沖數為（3）式中的輸出數字量加上10000個脈沖，其中的10000個脈沖是由ICL7135正向積分所決定的。將接收到的脈沖數進行誤差處理，使用擬合方法，可以得到輸入電壓與脈沖的一個線性關系，經過軟件算法的處理，最后通過LCD顯示器輸出顯示出所測得的電阻值。ICL7135介紹ICI71

11、35是4位雙積分A/D轉換芯片,可以轉換輸出±20000個數字量,有STB選通控制的BCD碼輸出,與微機接口十分方便.ICL7135具有精度高(相當于14位A/D轉換),價格低的優點.其轉換速度與時鐘頻率相關,每個轉換周期均有:自校準(調零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準電壓積分)和過零檢測四個階段組成,其中自校準時間為10001個脈沖,正向積分時間為10000個脈沖,反向積分直至電壓到零為止(最大不超過20001個脈沖).故設計者可以采用從正向積分開始計數脈沖個數,到反向積分為零時停止計數.將計數的脈沖個數減10000,即得到對應的模擬量.圖3.5給出了ICL713

12、5時序,由圖可見,當BUSY變高時開始正向積分,反向積分到零時BUSY變低,所以BUSY可以用于控制計數器的啟動/停止.ICL7135為DIP28封裝,芯片引腳排列如圖3.6所示,引腳功能及含義如下:(1)與供電及電源相關的引腳(共7腳) .-V:ICL7135負電源引入端,典型值-5V,極限值-9V;.+V:ICL7135正電源引入端,典型值+5V,極限值+6V;.DGND:數字地,ICL7135正,負電源的低電平基準;.REF:參考電壓輸入,REF的地為AGND引腳,典型值1V,輸出數字量=10000×(VIN/VREF);.AC:模擬地,典型應用中,與DGND(數字地)&quo

13、t;一點接地".INHI:模擬輸入正;.INLO:模擬輸入負,當模擬信號輸入為單端對地時,直接與AC相連.       圖3.4ICL7135時序            圖3.5 ICL7135芯片引腳圖(2)與控制和狀態相關的引腳 (共12腳) .CLKIN:時鐘信號輸入.當T=80ms時,fcp=125kHz,對50Hz工頻干擾有較大抑制能力,此時轉換速度為3次/s.極限值fcp=1MHz時,

14、轉換速度為25次/s.REFC+:外接參考電容正,典型值1F.REFC-:外接參考電容負.BUFFO:緩沖放大器輸出端,典型外接積分電阻.INTO:積分器輸出端,典型外接積分電容.AZIN:自校零端.LOW: 欠量程信號輸出端,當輸入信號小于量程范圍的10%時,該端輸出高電平.HIGH:過量程信號輸出端,當輸入信號超過計數范圍(20001)時,該端輸出高電平.STOR:數據輸出選通信號(負脈沖),寬度為時鐘脈沖寬度的一半,每次A/D轉換結束時,該端輸出5個負脈沖,分別選通由高到低的BCD碼數據(5位),該端用于將轉換結果打到并行I/O接口.R/H:自動轉換/停頓控制輸入.當輸入高電平時;每隔4

15、0002個時鐘脈沖自動啟動下一次轉換;當輸入為低電平時,轉換結束后需輸入一個大于300ns的正脈沖,才能啟動下一次轉換.POL:極性信號輸出,高電平表示極性為正.BUSY:忙信號輸出,高電平有效.正向積分開始時自動變高,反向積分結束時自動變低.(3)與選通和數據輸出相關的引腳(共9腳)'.B8B1:BCD碼輸出.B8為高位,對應BCD碼;.D5:萬位選通;.D4D1:千,百,十,個位選通.圖3.6ICL7135典型應用圖4 軟件設計軟件設計采用C語言進行編程，調試軟件使用KEIL C的Vision3開發環境和調試環境，仿真使用Protues7的ISIS軟件平臺。1、主程序設計：當A/D

16、轉換器輸出的數據送入單片機內部后，單片機就采集數據，將數據采集到內部存儲器的存儲單元存儲，將輸入的脈沖數經過計算轉換為對應的電阻值。再將所測得的電阻值轉換為ASIIC碼，輸出顯示在LCD顯示器上。2、單片機從A/D轉換器讀取數據的程序設計：由于單片機是從ICL7135的BUSY端口讀入脈沖數，程序初始化后將不斷的從該端口讀入脈沖數，為了減小由電路原因引起的誤差，此處應采用軟件濾波方法，本設計中使用中值濾波法，連續采樣9次以后，使用中間值作為此次采樣的最終數據。3、碼的變換程序：單片機所讀入的數據時A/D轉換后的脈沖數，該脈沖數與輸入電壓有一個線性的對應關系，應將該脈沖數轉換為電壓數據，再經過電

17、壓與電阻的線性對應關系，轉換為測量的電阻值大小。4、顯示程序：因為LCD1602接收的是ASIIC碼，所以應將測量的電阻值大小轉換為ASIIC碼，直接送入LCD1602顯示。 程序整體設計框圖如下：程序開始程序初始化化配置定時器0工作方式配置LCD工作方式程序采樣并進行濾波處理判斷采樣數據是否符合量程范圍將采樣數據轉換為測量電阻值并顯示NY提示溢出圖4.1 程序整體設計流程圖5 系統調試系統調試主要分為硬件調試和軟件調試。該部分調試，主要采用Proteus7的ISIS軟件進行仿真。5.1 硬件調試硬件部分，恒流源模塊和弱信號放大模塊的穩定性對本設計起著決定性作用，所以應將調試重心放在這兩個模塊

18、。 恒流源調試本測試儀中，系統依據待測電阻兩端的電壓來判斷其電阻值的大小，所以該電壓要非常的穩定。根據歐姆定律可知，電壓等于電流與電阻之積。而測量電阻的電阻值可以認為是一常量，所以測量的精度是否達到要求，主要在于恒流源的穩定性。本設計中，恒流源的電流為0.16A，理論計算值W2=103.75，將該理論值代入仿真軟件中進行，仿真結果并不能達到設計要求，最后經過修改，定為101.1，因為在硬件設計時，改電阻使用的是一個1K的滑動變阻器，所以該模塊能達到設計要求，在實際制作中，三極管的不是恒定不變，受到電路中的電路和電源電壓多種因素的影響，可改變滑動變阻器的值來使恒流源的電流達到穩定值。在實際制作過

19、程中，還應考慮三極管功耗的問題，因為改恒流源的電流為0.16A，三極管的功率不夠的話，可能造成三極管的損壞，發熱過高的話也會造成三極管的不穩定，所以應選用功率高，散熱效果好的三極管。 弱信號放大器調試該部分的放大單元使用了運算放大器，運算放大器在使用時應該進行調零，也就是讓兩端輸入型號都為0V時，輸出信號要盡量的接近于0V。該部分的設計要求是，對電壓檢測的小信號進行30倍放大，理論計算值W1=0.827k，所以在設計時應選用10k的滑動變阻器，即可達到設計要求，在調試該部分時，可以選用一個阻值為1的精密電阻進行調試，改變滑動變阻器的值，將輸出電壓控制在4.8V，越接近說明精度越高，測量誤差也就

20、越小。該部分的電路仿真圖如下：圖5.1 硬件調試仿真圖5.2 軟件調試首先，將AD采樣值送入單片機，單片機經過處理，通過LCD輸出顯示。根據理論值計算，單片機接收的脈沖數應該是AD轉換數字量加上正向積分時間（10000個脈沖），根據理論輸出的脈沖數與AD轉換的脈沖數有一定的誤差，最后調試得出。單片機接收的脈沖數減去10002個脈沖較為準確。考慮本測試儀的測試范圍，假如測試電阻大于1，可能造成AD轉換輸出量的飽和現象，這樣會造成較大的測量誤差，所以應判斷所測電阻是否滿足量程，若不滿足，應在LCD上輸出提示操作人員，測量溢出。因為，本測量儀要求精度較高，測量信號較弱，應盡量避免環境因素的干擾，所以

21、在數據處理階段應加入軟件濾波模塊，本設計中采用的是中值濾波，此濾波方法能有效的濾除毛刺等干擾又能不失真的接收正確信號。在數據處理模塊，由于所接收的脈沖數數值很大，而所測量的電阻數值較小，并且51單片機的C語言所表示的數據范圍有限。在程序處理時應避免使用浮點數運算。將處理算法經過處理后，進行整數運算為佳。但是整數運算會造成小數部分的舍去，會對最終的測量顯示結果造成一定的誤差。在處理算法上應對該誤差進行補償。最后，在LCD顯示模塊。由于，LCD1602接收的是ASIIC碼，所以應將所測電阻的十進制數據轉換為ASIIC碼，最后輸出顯示即可。軟件調試模塊的仿真圖如下：圖5.2軟件調試仿真圖6 系統功能

22、和指標參數本文實現了1m1的電阻測量儀，該測試儀的測量精度高達±0.1%。并且測量穩定較好，測量模塊簡單，便于攜帶。下表為測量參數記錄表：測量電阻（）輸入電壓（V）AD轉換脈沖數（個）顯示結果（）1.024.89619581Over flow!14.81919710.52.49594797622980.120.060.28811450.060.030.1445690.030.0150.0722810.0150.0070.03361280.0070.0030.0144510.0030.0010.0048120.0017 總結隨著各種高精度傳

23、感器的應用與普及，這一技術在科學研究，生產過程等領域中發揮著越來越重要的作用。7.1 設計小結在本次設計中，我們完成本系統設計的要求及功能。在設計開始前我們對各個模塊進行了詳細的分析和設計準備工作，設計過程中，我們相互幫助，積極參與完成各個模塊的功能實現。本次設計主要完成了1m1電阻的測試，實現了基本單片機的小電阻測量。7.2 設計收獲通過本次設計，多方的查閱資料，懂得了很多種小電阻的測量方法和普通電阻的測量方法。例如，使用電橋，和提供一個恒定電壓，使用繼電器控制檔位的。不過對于小電阻測量，電橋測量和繼電器控制都難以達到一個高精度的標準，必須采用一種穩定并且線性度高的方法。在本次設計中，小組成

24、員協調合作。對設計中的各個模塊進行了詳細的分析和討論，是本次設計成功的關鍵，這鍛煉了我們小組合作，相互協調的團隊協作能力。7.3 設計改進由于本次課程設計時間有限和自身能力的欠缺。設計并沒有做出實物來，這也是很遺憾的。并且我們的設計所測量的小電阻還不夠小，這可以通過提高恒流源電流或者提高放大器的放大倍數來實現。提高恒流源電流以后，就增加恒流源模塊的功耗，假如說本測試儀使用的是電池供電的話，這樣的使用時間有限。提高放大器的放大倍數以后，就會縮小電阻的測量范圍，這可以通過改進AD轉換器的位數來進行改進。不過，位數越高的AD轉換器，其成本就會相應的提高。綜上所述，應采用一種量程轉換的方法來達到設計的

25、要求，可在設計中加入數字電位器，通過單片機控制放大器的放大倍數，選用一個8位的AD轉換器，通過改變量程的方法，可以實現測量范圍。8 參考文獻1萬福君、潘松峰.單片微機原理系統設計與應用（第二版）M. 合肥：中國科學技術大學出版社，2001.2周潤景、張麗娜.PROTEUS入門實用教程M. 北京：清華大學出版社，2007.3康光華.電子技術基礎模擬部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，2005.4謝自美.電子線路設計實驗測試（第三版）M.武漢：華中科技大學出版社，2005.5張培仁.基于 C 語言編程 MCS-51 單片機原理與應用M. 北京：清華大學出版社，2003.附錄1：電路總圖附錄2

26、：軟件代碼#include <reg51.h>sbit E=P25;sbit RW=P26;sbit RS=P27;char bcd="00000 Ohm"char overflow10="over flow!"unsigned int ah,al;unsigned char wan,qian,bai,shi,ge;int k=0;typedef unsigned char uchar;#define B 1void Delay(unsigned int t) / delay 40usunsigned int i; for(;t!=0;t-)

27、 for(i=100;i!=0;i-);void scankey(void);void SendCommandByte(unsigned char ch) RS=0; RW=0; P0=ch; E=1; Delay(1); E=0; Delay(5); /delay 40usvoid SendDataByte(unsigned char ch) RS=1; RW=0; P0=ch; E=1; Delay(1); E=0; Delay(5); /delay 40usvoid InitLcd()SendCommandByte(0x30); SendCommandByte(0x30); SendCommandByte(0x30); SendCommandByte(0x38);/設置工作方式 SendCommandByte(0x0c); /顯示狀態設置 SendCommandByte(0x01); /清屏 SendCommandByte(0x06); /輸入方式設置void DisplayMsg1(uchar *p) unsigned char count; SendCommandByte(0x80); /設置DDRAM地址 for(count=0;count<k;count+) SendDataByte(*p