电阻测量专业系统设计.doc

《电子系统设计》课程设计
题目：电阻测量系统设计

自动电阻测试仪
【摘要】本简易自动电阻测试仪具备手动四档及自动三档量程转换电阻测试功能，以单片机为控制核心，使用仪表运放来精准采集被测电阻两端电压，通过模数转换电路将模仿信号转换成数字信号，以便单片机进行解决。最后通过LCD12864液晶显示出成果，能自动显示小数点和单位；并且该装置具备电阻自动筛选和自动测量显示电位器变化曲线功能。实验成果表白，本系统完全达到设计规定，多项指标优于题目规定。

【重要技术】(1) 通过编程来实现对电阻值直接测量
(2) 12位A/D转换技术
（3) 量程转换技术
（4）液晶显示屏有效应用
（5）串并转换技术
（6) 通过单片机控制电机实现对电位器自动控制

【核心词】模数转换；自动量程转换；INA114；电阻；MCU；液晶显示；
目 录
一、系统方案 4
1.1 设计规定 4
1.1.1 任务 4
1.1.2 规定 4
1.2 总体方案 5
1.2.1 方案论证与比较 5
1.2.2系统构成 5
二、理论计算与电路分析 6
2.1 电阻测量原理 6
2.2.1测量电路 6
2.1.2基准电压电路 7
2.2 自动量程转换与筛选设计 7
2.2.1 自动量程转换 7
2.2.2 筛选功能 8
2.3 电位器阻值变化曲线装置设计 8
三、电路与程序设计 8
3.1 电路设计与分析 8
3.1.1 电源模块 8
3.1.2 测量及转换模块 9
3.1.3 控制显示模块 10
3.1.4 辅助装置 10
3.2 程序流程图设计 11
四、系统测试方案与成果 13
4.1 测试条件 13
4.2 测试方案 13
4.3 测试成果及分析 13
五、结论和系统特色 14

一、系统方案
1.1 设计规定
1.1.1 任务
设计并制作一台简易自动电阻测试仪。
1.1.2 规定
（1）基本规定
① 测量量程为 100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。测量精确度为±（1%读数＋2 字）。
② 3 位数字显示（最大显示数必要为 999），能自动显示小数点和单位,测量速率不不大于 5 次/秒。
③ 100Ω、1kΩ、10kΩ三档量程具备自动量程转换功能。
（2）发挥某些
① 具备自动电阻筛选功能。即在进行电阻筛选测量时，顾客通过键盘输入规定电阻值和筛选误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值同步，给出该电阻与否符合筛选规定批示。
② 设计并制作一种能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线辅助装置，规定曲线各点测量精确度为±（5%读数＋2 字）,全程测量时间不不不大于 10 秒,测量点不少于 15 点。辅助装置连接示意图如图 1 所示。
③ 其她

图 1 辅助装置连接示意图
1.2 总体方案
1.2.1 方案论证与比较
（1）电阻信号采集
方案一：恒流法
恒流法根据是信号源内阻为无穷大，电流恒定。此特性对于测量本题中不大于10kΩ电阻有较高精度，但在测量阻值较高电阻时，一方面被测电阻压降过大，有也许进入非线性区；另一方面，实际电流源内阻不也许为无穷大，大阻值电阻已接近电流源内阻，此时电流源内阻分流已不能忽视，从而影响测量精度。
方案二：恒压法
恒压法根据是信号源内阻为0，电压恒定，此特性对测量中高阻值电阻有较高精度，但测量较小阻值电阻时也会存在一定误差。
方案选取：本设计偏重于中高阻值电阻测量，故选方案二，并且通过与原则电阻串联分压方式减少测量小电阻时误差。
（2）自动量程转换
方案一：采用多量程开关MPC509切换不同阻值原则电阻。长处：易于控制，电路简朴。缺陷：器件自身有1kΩ电阻，对测量成果有较大影响。
方案二：采用继电器来切换原则电阻。长处：器件无电阻，对测量成果影响小，易于控制。缺陷：电路稍显复杂，切换有响声。
方案选取：本设计规定精确度达到，故采用方案二。
（3）信号转换
方案一：采用单片机内部A/D转换器。长处：电路构造简朴。缺陷：转换速度慢，干扰大，精确度达不到规定。
方案二：外接12位ADS805 A/D转换器。长处：转换速度快，精确度高。缺陷：外围电路复杂，占用较多I/O口。
方案选取：本设计侧重于高精确度，因而采用方案二。
1.2.2系统构成
本系统构成框图如图2所示。

图 2 系统框图

二、理论计算与电路分析
2.1 电阻测量原理
2.2.1测量电路
采用串联电阻分压方式来拟定测量电阻，如图3 所示。
依照欧姆定理可知，只需测出两端电压和流过它电流就可计算出。由图３可知 ，使用了TI公司生产仪表放大器INA114测量值，，测出值即可知被测电阻值。
INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小、精度高、价格低廉,可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD传感器和医疗仪器等。INA114只需一种外部电阻就可以设立1至10000之间任意增益值,内部输入保护可以长期耐受±40V,失调电压低（50μV）,漂移小（0.25μV/℃）,共模抑制比高（G=1000时为50dB）,用激光进行调节,可以在±2.25V电压下工作,使用电池（组）或5V单电源系统,静态电流最大为3mA。INA114采用8引脚塑料封装或SOL-16表面封装贴件,使用环境温度为-40℃～+85℃。

图 3 测量电路
2.1.2基准电压电路
为了使测量更精准，必要提供精确稳定+5V电压。因而采用三端可编程并联稳压管TL431构成+5V串联稳压器。输出电压 电路如图4所示。
德州仪器公司（TI ）生产TL431是一种有良好热稳定性能三端可调分流基准源。其输出电压用两个电阻就可以任意设立到从Verf（2.5V）到36V范畴内任何值。该器件典型动态阻抗为0.2Ω，TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因而广泛应用在各种电源电路中。

图 4 +5V基准电压电路 图5 量程转换电路
2.2 自动量程转换与筛选设计
2.2.1 自动量程转换
自动量程转换功能实现由单片机检测值大小来切换相应档位继电器与否导通，从而实现电阻测量量程自动转换，电路如图5所示。
自动量程采用由高位档向低位档逐档比较切换方式。当由手动量程转换切到自动量程转换测量时，继电器自动切换到10kΩ档位，当测试出＞2.500V时（即被测电阻≥10kΩ），则超过自动测量范畴，并显示“超过量程”；当0.476V≤＜2.500V时（即1kΩ≤被测电阻＜10kΩ），则档位不变，并显示测量电阻值；当＜0.476V时(即被测电阻＜1kΩ)，则档位切换到1kΩ档位。
当切换到1kΩ档位时，再次检测值，当测得0.476V≤时（即被测电阻≥100Ω）,则档位不变，并显示测量电阻值；当测得＜0.476V时（即被测电阻＜100Ω），则档位切换到100Ω档位。
当切换到100Ω档位时，则直接显示测量电阻值。

2.2.2 筛选功能
筛选功能先计算出设定阻值范畴，假设规定电阻值为,误差值为，则电阻筛选范畴为（－）~（＋）。测量时将电阻测试仪调到自动档，测量出被测电阻阻值，然后判断与否在筛选范畴里，若在此范畴则显示筛选符合规定并显示详细阻值，否则显示不符合筛选规定。
2.3 电位器阻值变化曲线装置设计
将小型直流电机转轴与4.7kΩ旋转式单圈电位器相连，从电位器引出两点用于测量显示，为了能精确显示被测电位器阻值从0~4.7kΩ变化，本装置在电位器零欧姆位置安装了行程开关，用于控制电位器从零开始变化。

三、电路与程序设计
3.1 电路设计与分析
从整体来看，本测试仪由供电系统（即电源模块）、电阻测量及量程转换模块、控制运算及显示模块。
3.1.1 电源模块
电源电路如图6所示，采用LM317和LM337来输出±12V、±8V、+5V。LM317和LM337输出电压精度更高。+5V用于给单片机供电；+8V通过TL431稳压成原则+5V提供测量电阻基准电压。+5V用于ADS805供电。±12V用于仪表运放INA114供电。

图 6 电源电路
3.1.2 测量及转换模块
电阻值测量电路及自动量程转换电路，如图7所示。用红黑表笔测量被测电阻，得出并送入单片机，即显示出相应阻值。通过单片机输出控制信号来调节继电器KM切换，进而控制了量程转换。

图 7测量及量程转换电路
3.1.3 控制显示模块
单片机控制显示模块如图8所示，控制电路采用外接AD，单片机内部自带AD只有10位，不能满足本设计中对精确度1%规定，因而采用外接12位ADS805。采集电压信号通过OPA2209跟随到AD中，使用OPA2209起到输入阻抗变换，减小AD对信号影响。由于控制采集信号需要大量I/O口，导致单片机接口不够用，因而在显示电路某些，采用了两个74HC595来节约显示某些接口。
74HC595是硅构造CMOS器件，具备8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器、一种存储器和三态输出功能。

图 8 单片机控制及显示模块
3.1.4 辅助装置
辅助装置是将小型直流电机转轴与4.7kΩ旋转式单圈电位器相连，从电位器引出两点用于自动测量显示电位器阻值随旋转角度变化曲线。由于单片机输出信号不能驱动电机，因而在电路设计中采用TA8428K驱动直流电机，如图9所示。 东芝双极型线性集成电路TA8428K 用于电机旋转控制，电机正转，反转，停止和制动操作可供选取，具备热关断和短路电流保护等功能，输出电流峰值为3.0 A。

图9 辅助装置连接电路图
3.2 程序流程图设计
程序设计总体思路如图10所示。

图 5程序流程图
四、系统测试方案与成果
4.1 测试条件
（1）仪器
UT60D三位半数字万用表 一台
UT71A四位半数字万用表 一台
（2）环境条件
测试环境温度在26℃左右。
4.2 测试方案
将自动电阻测试仪分别调到100Ω档、1kΩ档、10kΩ档和10MΩ档测量量程范畴内不同阻值电阻，并记录成果。然后用四位半数字万用表分别测量被测电阻阻值，运用公式求出精确度。
4.3 测试成果及分析
不同档位电阻测试成果如表1所示，通过测试数据可知，其测量精确度达到设计规定，能自动显示小数点和单位，测量速度远远不不大于5次/秒，并实现了100Ω档、1kΩ档和10kΩ档三个档量程自动转换功能。
表 1 不同档位精确度测试成果

测量值
实际值
精确度(%)
平均精确度(%)
100Ω档/Ω
98.2
98.73
﹣0.53
﹣0.50
10.9
11.00
﹣0.90
74.2
74.26
﹣0.08
1kΩ档/kΩ
0.991
0.9890
0.20
0.53
0.534
0.5318
0.40
0.201
0.1990
1.00
10kΩ档/ kΩ
9.13
9.087
0.47
0.54
1.19
1.1860
0.33
4.68
4.641
0.84
10MΩ档/MΩ
0.991
0.9890
0.20
0.63
4.85
4.885
0.71
9.82
9.92
1.00
自动电阻筛选测试成果如表2所示，测量时该测试仪能在显示被测电阻阻值同步，给出该电阻与否符合筛选规定批示，经测试完全符合设计规定。
表 2 自动筛选测试成果

设定值
误差值
测量值
与否符合规定
1
75Ω
±0.5
74.2Ω
不符合
2
75Ω
±1
74.2Ω
符合
3
240Ω
±2
237Ω
不符合
4
240Ω
±5
237Ω
符合
5
5.1kΩ
±30
5.01 kΩ
不符合
6
5.1kΩ
±40
5.01 kΩ
符合
当切换到辅助装置测试功能时，电机驱动电位器自动复位（0Ω），然后开始测量。电位器阻值随旋转角度变化曲线测试成果如图11所示，随旋转角度变化，依次采集并显示电位器阻值，全程共采集16个点，其测量精确度基本满足规定。

图 6 电位器阻值变化曲线成果

五、结论和系统特色
① 本系统测量量程为 100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档，其精确度分别为±0.5%、±0.53%、±0.54%、±0.63% 。
② LCD显示屏最大能显示999，并实现了自动显示小数点和单位功能,测量速率满足不不大于5次/秒。
③ 实现了100Ω、1kΩ、10kΩ三档自动量程转换功能。
④ 具备自动电阻筛选功能。即在进行电阻筛选测量时，顾客通过键盘输入规定电阻值和筛选误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值同步，给出该电阻与否符合筛选规定批示。
⑤ 设计并制作一种能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线辅助装置，曲线各点测量精确度不大于±5%，全程测量时间8.5秒，测量点16点。
⑥ 测量并显示电位器阻值随旋转角度变化曲线时，能自动存储并显示电阻值。

实验总结
本设计采用单片机控制方式实现了简易自动电阻测试功能，完毕了电阻测量智能化设计。系统性能优良、稳定、功耗低、测量精度高，测试简朴、调试和维护以便，具备较强实用性和辽阔应用前景。
通过本次对简易自动测试仪设计，我和搭档分工合伙，积极配合，在四天三夜努力下完毕了本次设计制作。在本次设计中，咱们一方面拟定了设计方案，然后依照所设计方案进行模块化设计。通过本次设计，让咱们明白了团队合伙重要性，让咱们再一次体会到付出才会有回报。在本次设计中咱们也有诸多胡局限性，例如在进行模块化分工制作中，应特别注意端口之间衔接，但是，咱们坚信这些瑕疵和局限性会勉励咱们在后来设计中不断追求完美、精益求精。