全国电子设计大赛论文简易自动电阻测试仪.doc

简易自动电阻测试仪（G题） 摘要：随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的的适应范围越来越广泛，在应用中我们常常要测量电阻的大小，因此设计更加可靠，安全，快捷的电阻测量仪，具有极大的现实必要性。本系统由AT89S52单片机作为数据处理和控制核心，电阻测量采用分压法，用ADC转换芯片TLC2543采集电压值，用电压比例计算的方式计算其电阻值，通过LCD12864显示数据。通过实际检测，该系统的指标达到了要求，工作可靠，操作简单，用户界面友好。 关键词：电阻测量 分压法 AD转换 AT89S52单片机 LCD128641.总体设计与方案选择与论证1.1系统总体构成整个系统可由六部分组成，比例分压电路、AD转换电路、量程切换、单片机最小系统、键盘电路和显示电路组成，总体方框图如图1所示。 图 1 系统总体方框图1.2方案论证1.2.1 电阻测试方案比较 电阻测试仪的比较可有多种方案完成，例如利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法。 方案一：采用CPLD或FPGA实现 应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。 方案二：采用RC振荡回路，通过测量频率来计算相应的阻值，测量范围较宽，但振荡回路受外界干扰较大，测量精度较低，测量误差不易控制。方案三： 采用分压法，通过测量电压值，采用电压比例计算R值，该方案电路稳定，受外界影响小，测量精度高，且测量范围较宽，另一方面便于使仪表实现自动化，而且设计时间短，成本低，可靠性高。 综上所述，系统将采用方案三，更为简便可靠，节约成本。 1.2.2 分压电路方案分压电路采用常用的三端集成稳压芯片7805提供恒定的5V电压，构成总电压为5V的串联分压电路，7805外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，简化了电路设计。1.2.3 AD转换方案方案一： 采用ADC0832 ，ADC0832是并接口的8位A/D转换器，双通道A/D转换，输出输入电平与TTL/CMOS相兼容，最高转换时间为32us，体积小，使用简单，价格便宜，但分辨率较低，难以满足测量需求。方案二，采用TLC2543，TLC2543为12为串行模数转化芯片，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转化过程，最高分辨率达4096，在输入电压为05V时，电压精度可达到1.2mv。由于采用串行结构，能够节省51单片机的IO口资源，价格适中，外围电路简单等，稳定可靠。本系统采用TLC2543实现AD转换。1.2.4自动量程切换方案自动量程切换采用软件来实现，软件设计思路：采用逐次比较判别的方法，每次测量电阻时，系统将自动默认最小量程，系统所测的阻值与该量程的最大值比较，如果测量阻值小于或等于最大阻值，及没有超出量程，系统显示测量结果，如果测量阻值超出最大值，系统自动跳到第二个量程，继续测量电阻，再将测量结果比较判断，依此类推，直到所测阻值没有超出当前量程的量程范围，系统自动显示测量结果，完成测量。1.2.5 单片机方案 在整个电路中，电阻计算和显示，量程的自动换等复杂任务的处理都要依靠单片机来完成，所以采用一款我们熟炼、可靠、高性能的单片机，是保证我们完成整个任务的基石。 所以在系统我们采用我们常用的高性能CMOS 8位微控制器AT89S52。AT89S52具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用，且价格相比同类产品非常便宜，具有很高的性价比，在电路中完全满足设计要求。1.2.6数据显示方案 方案一：采用字符型LCM1602液晶显示器。微功耗、尺寸小，超薄轻巧，价格便宜。但界面较小，不能显示图形，不能够满足设计要求。 方案二：LCD12864是128*64点阵液晶模块，控制器为 KS0108或兼容 ST7920 T6963C 。12864显示信息量大、字迹清晰、稳定，美观、视觉舒适，能够显示图形,故本系统采用LCD12864液晶显示器.2. 理论分析与计算2.1.电阻测量原理分压即电阻串联分压，在电路中被测电阻R1和一个高精度的已知基准电阻R2串联，并在两个电阻的两端加一个已知的恒定电压V，设R1两端的电压为V1，R2两端的电阻为V2，根据欧姆定律， R1/(R1+R2)*V=V1 化简可得 R1=(V1*R2 )/(V-V1)由于V1，R2，已知，V1由电路自动测量得到，经过单片机计算可得出被测电阻的阻值。 2.2.自动量程转换原理。自动量程切换的实现原理：采用逐次比较判别的方法，每次测量电阻时，系统将自动默认最小量程，系统所测的阻值与该量程的最大值比较，如果测量阻值小于或等于最大阻值，及没有超出量程，系统显示测量结果，如果测量阻值超出最大值，系统自动跳到第二个量程，继续测量电阻，再将测量结果比较判断，依此类推，直到所测阻值没有超出当前量程的量程范围，系统自动显示测量结果，完成测量。2.3电位器阻值曲线变化装置 曲线装置将采用步进电机控制电位器旋转，驱动电路采用H桥电路，用软件来控制电位器旋转角度与电阻值采集的同步。3.硬件电路设计3.1 分压电路设计在电路中，7805构成恒压源，R1,R4为两个高精度基准电阻，RX为被测电阻，RX两端电压值由后级电路TLC2543采集。双刀双置开关SW2实现100，1K，10K三个自动量程挡位到10M档位的切换。电路如图2所示。 图2 分压电路3.2 AD转换电路设计TLC2543为12位的A/D转化芯片，有12个模拟输入通道，分辨率达4096。程序设计采用模拟通道AIN0端，并用高输入阻抗运放LF356阻抗匹配，提高测试精度以及电路的稳定性。图中LF356的3脚为电压输入端，输入的模拟电压经TLC2543进进行A/D后。数字量以SPI总线数据传输的方式与单片机进行数据传送。电路如图3所示。 图3 TLC2543电路模块 图4 电机驱动电路3.4电机驱动电路设计 电机驱动电路采用H桥电路，控制电机的正反转控制，及实现电机的自动复位与自动测量两个过程，与如图4所示3.3 单片机及显示电路设计AT89S52单片机为数据处理和控制核心，LCD12864实现数据显示，电路图5所示。 图 5 单片机及显示电路3.5 键盘电路设计键盘采用常用的4*4矩阵键盘，各键功能见操作说明。电路如图6所示。 图6 键盘电路电路 图7 电源电路图3.6电源电路 电源采用7809，7909构成正负电源，提供±9V的电压输出。电路如图7所示。4. 系统软件设计 系统软件基于KEIL C51开发系统开发，总体设计包括四部分：按键模式选择、测量模式、筛选模式和曲线模式。主流程图如图8所示，自动量程转换模式流程图如图9所示，自动筛选模式流程图如图10所示。 图8 主流程图 图9 自动量程程序流程图 图10 自动筛选程序流程图 5.测试方法及测试结果 5.1 测试方案及测试条件本设备的操作说明见附录1。5.1.1电阻测量测试测试方法：在各自量程范围内，每一个量程测5种不同阻值的电阻，采用4位半高精度VC9807A+万用表和普通三位半VC830L数字万用表做参考对照，测量数据表格如下所示。 表1 量程：100（室温下）标识阻值 5.1 10 51 68 86 VC9807测量值 5.21 10.06 50.22 64.58 89.84VC830L测量值 5.3 10.8 52.6 65.4 88.2电阻测量仪值 5.0 10.1 51.0 64.9 88.9 表2 量程：1K（室温下）标识阻值 150 330 470 680 820VC9807测量值 145.28 327.3 476.8 656.3 819.6VC830L测量值 147.9 331 479 654 820电阻测量仪值 145 328 478 657 821 表3 量程：10K（室温下）标识阻值 1k 2k 4.7k 5.1k 9.1kVC9807测量值 0.994k 1.964k 4.561k 5.247k 9.143kVC830L测量值 0.99k 1.95k 4.56k 5.22k 9.15k电阻测量仪值 0.993k 1.97k 4.55K 5.24k 9.14k 表4 量程：10M（室温下）标识阻值 10k 100k 470k 1M 9.1MVC9807测量值 0.009M 0.099M 0.469M 1.009M 8.899MVC830L测量值 0.01M 0.09M 0.45M 1.01M 8.90M电阻测量仪值 0.01M 0.09M 0.46M 1.02M 8.87M1. 自动量程切换测试测试方法：任选多个阻值在自动量程范围内的不同电阻，接入测试仪测试其自动量程切换功能，用VC9807的测量值做标准值参照，测试结果如下 表5 自动切换量程测试 标识阻值 47 470 4.7K 470KVC9807测量值 46.49 478.4 4.55k 460k测量仪测试值 47.1 4.79 4.58k 463k由上表可知，在不需要人为干预下，系统可自动进行100、1K、10K三量程的自动切换，稳定可靠。2. 筛选功能测试测试方法：任选1组阻值为4.7K的电阻，共5个，在测量仪中设定筛选值为4.7K，和误差范围为2%，进行电阻筛选测试，用VC9807的测量值做标准值参照。测试结果表6所示： 表6 筛选电阻值4.7K VC9807测量值 4.75 4.81 4.68 4.76 4.73 阻值误差 1.0% 2.3% 0.4% 1.2% 0.6% 筛选接果 符合 不符合 符合 符合 符合由检测结果可知，系统实现了电阻筛选功能。3. 电位器阻值变化曲线装置测试测试方法：任选一个阻值在量程范围内的电位器，然后将电位器接入测量仪中，观察其变化曲线情况，实物曲线图如下 5.2测试结果 通过实际使用测试，和对测量数据的分析，整个系统系统完成了以下指标。 1）系统电阻测量量程可 100、1K、10K、10M四档可调，测量准确度可达±（1%读数+2字），达到基本要求 2）系统可三位有效数字显示阻值，能自动显示小数点和单位，达到基本要求 3）系统具有 100、1K、10K三量程自动切换功能，达到作品基本要求 4）系统具有自动筛选功能，可任意设定要筛选的电阻值和误差值，实现电阻自动筛选功能，实现发挥部分第一点要求。 5) 系统能够自动测量并显示电位器阻值曲线变化图，实现发挥部分第二点要求。5.3测试结果分析 所有的测试过程严格按照要求来进行，所有测试数据和测试结果准确真实有效。 6、结论 仪器类的作品往往各方面都具有严格的要求，尤其是精确度这方面，所以高精确度是我在设计整个电路时的基本原则，所以在作品在最终测试时，确实在这一块做的很好不错，出乎我们的意料。我们在完成题目基本要求的同时，还对功能做了扩展，做了良好的人机交互界面，使其更具实用性。 能够完成整个作品的制作与我们丰富的理论知识和优秀的动手能力是分不开的，我想我们已经准备好迎接更多更大挑战。参考文献：信号与系统，沈元隆 周井全编，北京：人民邮电出版社，2007年；C程序设计，谭浩强著，北京：清华大学，2005年；电子技术基础-模拟部分，康华光编，北京：高等教育出版社，2006年；电子技术基础-数字部分，康华光编，北京：高等教育出版社，2006年；单片机原理及应用，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002 年；晶体管电路设计，铃木雅臣著，北京：科学出版社，2006年；附录1 操作说明 图11 操作示意图1操作说明 检查AC220V电压是否标准接通电源查看电源指示灯稍等3S进入使用界面（默认电阻测量） 1.操作面板见图11 2.电阻大小测量：开机默认进入（或功能键进入）界面，按“量程”键选择需要的测量模式，分“自动挡”和“M档”两个档位，选定模式后，接入电阻便可测量读取数据 在任意模式下，按“测量”键，都会自动进入电阻测量模式。 3.电阻筛选：按“筛选”键选择进入筛选功能 输入预设阻值输入误差范围加入待测电阻 ， 输入方式为:“*.*单位*”其中前三位数字为要筛选的电阻值，且小数点一定要在第二位输入，单位代表电阻的单位。后两位为需要设置的误差范围，数值范围为0到99（0%到99%），例如要筛选阻值为4.7K的电阻，允许误差为5%。则输入方法为：4.70K05，即可接入电阻测量并筛选电阻，系统将自动显示检测并显示电阻是否合格。 4.电位器特性曲线自动测试：按“曲线”键选择进入电位器曲线变化模式， 电机将自动给电位器清零（电位器原点）后系统自动开始测试，绘完曲线并显示，等待下次测试 附录 2：电路图纸 图12 单片机电路连接图 图13 TLC2543电路图 图16电源 图17电机驱动电路 附录 2：主要程序清单 TLC2543程序#ifndef _AD2543_H_#define _AD2543_H_sbit data_out=P12;sbit data_in=P11;sbit cs=P13;sbit clk=P10;void delay_ad(uchar k) while(k-);uint Read2543(uchar con)uint ad=0;uchar j;con<<=4;clk=0;cs=0;for(j=0;j<12;j+) if(data_out)ad|=0x01; data_in=(bit)(con&0x80); clk=1; delay_ad(6); clk=0; delay_ad(3); ad<<=1; con<<=1; cs=1; ad>>=1; return(ad);#endif