电阻测量仪设计.doc

基于单片机的自动电阻测量仪的设计
一、 系统总体设计
系统设计任务与要求STC12C60S2
该自动电阻测量仪以STC12C60S2单片机为核心，利用分压法测量原理，通过A/D转换器进行采样，得到的采样值经过单片机处理实现电阻测量,测量结果通过液晶进行显示。同时显示筛选结果指示，“↑”表示被测电阻偏大，“ok”表示被测电阻满足筛选要求，“↓”表示被测电阻偏小。
1.1 重点研究内容与实现方法
本设计包括硬件设计和软件设计。
硬件设计主要包括单片机主控系统、基准电压产生电路、16位A/D转换器、量程切换电路、液晶显示模块、键盘和电源模块等构成，其中硬件设计重点是单片机主控系统、选择合适A/D转换器、基准电压产生电路和量程切换电路，设计难点是大功率、高精度基准电压源和电阻测量方案的选择。
软件设计主要是编写程序。需要完成系统初始化、档位选择、电阻测量、电阻值显示、键盘程序等工作。设计的难点是电阻测量算法和键盘程序的设计。
1.3.1 主控模块

在整个电路中，电阻值的测量、计算和显示，量程的自动换档和键盘设置等复杂任务的处理都要依靠单片机来完成，采用一款我们可靠、高性能的单片机，是保证我们完成整个任务的基石，所以我们选择低电压高性能的微控制器STC12C60S2。STC12C60S2单片机作为整机的控制单元，利用A/D转换器采集分压电路的输出电压值送入单片机进行处理，处理后的数据送到液晶显示模块显示。该设计采用分压测量原理，加上16位A/D可有效的减小电阻的测量误差。
1.3.2 电阻测量方案
电阻测量方案的选取直接关系到系统的测量精度和数据处理程序的设计，电阻测量目前可有多种方案。
方案：采用分压法，通过测量分压值，按照电阻分压公式计算出。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，而且设计周期短，性价比高。
1.3.3 电压信号采集模块
方案：设置基准电压源电路，当测试被测电阻时，产生对应的电压值，然后使用A/D转换器LTC1864模块完成A/D转换，将所获得的数字量送至单片机，通过软件对数字量进行处理，将所测值显示在液晶显示屏上，这个方法满足系统对各项性能指标的要求。
1.3.4 档位选择模块

方案：采用继电器作为档位开关控制，继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。采用4个继电器分别控制不同电阻测试档位。最主要的优点是继电器的触点电阻很小，毫欧级别，可以满足小电阻测量时的精度要求。
1.3.5 显示模块
方案：液晶屏显示信息量大、字迹清晰、稳定，美观、视觉舒适，能够显示图形和汉字，满足本系统的显示要求。
1.3.6 电源模块
方案：采用线性直流稳压电源。线性稳压电源制作简单，输出稳定，性价比较高。
1.3.7 基准电压模块
基准电压源具有低电压低功耗和低温漂高精度的优点，且是标准CMOS工艺兼容，结构新颖，综合性能优异，完全满足本设计的要求。

1.3.8 各模块方案确认
（1）主控模块：选用STC12C60S2
（2）电阻测量方案：电阻测量采用分压测量法。
（3）信号采集模块：信号采集电路选用A/D模数转换LTC1864。
（4）档位选择模块：采用继电器作为档位开关控制。
（5）显示模块：1206液晶屏
（6）电源模块：采用线性直流稳压电源。
（7）基准电压模块：基准电压源。
1.3.9 自动电阻测量仪的设计原理框图 自动电阻测量仪的设计的原理框图如图1-1所示。

图1-1 自动电阻测量仪的设计的原理框图
如上图所示，该设计的原理可以概括：上电后，可以通过模式选择开关选择系统是处于测量模式还是筛选模式。系统处于测量模式时，当测试被测电阻时，通过分压电路和继电器切换电路产生对应的电压值，然后使用A/D转换器模块完成A/D转换，将所获得的数字量送至单片机，通过软件对数字量进行处理，将所测阻值显示在液晶显示屏上。如果被测电阻电阻值超出仪表量程，将启动报警电路；系统处于筛选模式时，先通过键盘输入筛选值和筛选误差，然后测试被测电阻，液晶屏同时显示被测电阻值和筛选值及筛选误差，当被测电阻偏大，液晶屏显示“↑”，当被测电阻满足筛选要求，液晶屏显示“ok”，当被测电阻偏小，液晶屏显示“↓”。
第2章 系统理论分析与计算
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中一端加一个已知的高精度的基准电压V，设R1两端的电压为V1，R2两端的电阻为V2，分压电路图如图2-1，根据欧姆定律，
R1/(R1+R2)*V=V1
化简可得 R1=(V1*R2)/(V-V1)
由于V、R2已知，V1由模数转换A/D转换成数字量，经过单片机计算可得出被测电阻的阻值。图2-1 分压电路图
自动换档原理和每档精确分压电阻的计算方法

换档电路由五个继电器电路组成，换档过程可以概括如下：首先通过单片机将全量程档位接通，对电阻进行一次粗测。然后单片机根据粗测结果，将继电器切换至合适量程的档位，对电阻进行精确测量（其实可以首先用最大电阻档进行粗测，然后换用合适档位即可。这是本设计的方案选取的一个缺陷）。
每档分压电阻的选取直接关系到测量结果的精度，由于被测电阻分得的电压要送往A/D转换器，为了获得足够的精度，必须保证每档位的最大被测电阻分得的电压至少为基准电压的90%以上。对于全量程档位的分压电阻除了满足上面条件外，还要保证在每档分界电阻处分得的电压通过A/D转换的数字量变化比较明显，主要是最低档位（0.2-20）。
第3章 系统硬件各功能模块的设计
3.1 主控模块的设计
3.1.1 单串行A/D转换器LTC1864
LTC1864是凌力尔特推出的16位串行模数转换芯片，采用单5V工作电源，并能保证在-40℃ - +125℃的温度范围内工作，最大工作电流为850µA,最大采样率250ksps，供电电流随采样速率的降低而减小[6]。
LTC1864与单片机的接口电路见图3-1所示。

图3-1 LTC1864与注意电阻电容值
单片机的接口电路

3.1.2 档位切换电路
换档电路由五个继电器电路组成，换档过程可以概括如下：首先通过单片机将全量程档位接通，对电阻进行一次粗测。然后单片机根据粗测结果，将继电器切换至合适量程的档位，对电阻进行精确测量。
本设计所用继电器为松下公司TX系列的信号继电器，具体型号为TX2-5V。型号继电器线圈与触点间耐压为1000VAC/1分钟，触点与触点间耐压为1000VAC/1分钟，触点电流为3A,绝缘电阻大于等于1000MΩ，线圈功耗仅为140mW，线圈电压为5V，线圈电阻为178Ω±17.8Ω（线圈电流0.0325A小于晶体管9013最大集电极电流0.5A），体积小便于安装，特别导通电阻仅为50mΩ，满足本设计任务。
单片机端口的输出电流很小，不能直接驱动继电器正常工作，所以在电路设计时必须先把端口信号用三极管9013进行放大，然后再用放大的信号去驱动负载工作。继电器与单片机的接口电路如图3-2所示。

注意电阻阻值

图3-2 继电器与单片机的接口电路
3.2 人机接口的设计
3.2.1 键盘的设计
在本设计中设置了4个按键、一个开关，并采用独立式键盘的查询方式。开关采用推式开关，用来在系统电阻测量与电阻筛选两大功能之间切换。4个按键是系统在筛选模式下用来输入筛选电阻值与筛选误差。按键开关与单片机的接口电路如图3-3所示。

图3-3 按键开关与单片机的接口电路图
3.2.2 显示电路的设计
测量仪采用的是液晶屏作为显示器件，其中D0—D7是数据线输入引脚；V0是液晶显示器驱动电压，输入；D/I(RS)为数据/指令寄存器选择，为1时，是数据寄存器，为0时，是指令寄存器，输入；R/W为
读/写选择输入，为1时是读操作，为0时，是写操作；CS1、CS2是选择芯片左右半屏信号；VOUT是LCD驱动负电压；LED+、LED-是LED背光板电源。由于单片机P0口没有上拉电阻，所以在LCD12864与单片机的接口电路上应加上上拉电阻。液晶屏与单片机的接口电路如图3-5所示。

图3-5 液晶屏与单片机的接口电路
3.3 电源的设计
在自动电阻测量仪的设计系统中，共需要两个电源。一个是供单片机、LCD12864等芯片正常工作所需要Vcc，另一个是分压电路和LTC1864A/D转换使用的+5.00V基准电压源。由于整个系统使用的是市电220V，因此需要设计电源电路将市电转化为系统所需要的两个电源。
Vcc的设计：市电转化为Vcc需要经过变压器、桥式整流、滤波电路滤波，再经过7805芯片稳压成5V的直流电压，向主控制器供电。三端稳压电路7805输入电压应高于输出电压3V以上（压差较大稳定，但功耗也大，7805应加大散热片），输出电压才稳定。电路图如图3-6所示。

图3-6 给单片机等芯片供电的5V电源电路图
+5.00V基准电压源的设计：为了获得高精度的基准源，本设计采用基准稳压芯片LM385-5V0，产生+5.00V的基准电压，但是输出电流仅为几个mA，但是精度很高且温度系数很小（30ppm/℃）。系统中最小档位所需要的最大电流为2.5A，基准稳压芯片LM385-5V0的输出电流不能满足系统需求，为此需要对输出电流进行放大。给A/D转换器和分压电路供电的+5.00V高精度电源电路图3-7所示。

图3-7 +5.00V高精度电源电路
其中的运放为单电源双运放LM358（只使用其中的一个）。需要注意的是+12V电源需要提供至少4A的电流，但是这个+12V不需要稳压，因为LM358的+12V电源抑制比为100dB，电压波动可以忽略。+12V是用整流滤波后产生的未稳压电源。但是要慎重选择整流桥，使整流输出电流大于4A。
为此，为了节约成本可将两个电源合二为一，其整流部分的二极管至少应该使用1N5408这样的3A的整流二极管来构成桥式整流电路，整流后的滤波电容应设为2200uF／25V的铝电解电容和0.47uF的独石电容并联。其整个系统电源电路图如图3-8所示。

图3-8 整个系统电源电路图

第4章 控制软件的设计
4.1 主程序的设计
在本系统中，主程序负责的工作有初始化系统、读模式开关、调A/D采样子程序、调用数据处理子程序、读键盘设置筛选值与筛选误差子程序，显示子程序等等，主程序流程图如图4-1所示。

图4-1 主程序流程图
4.2 子程序的设计
4.2.1 读取A/D采样值子程序的设计

LTC1864的工作时序如图4-2所示。

图4-2 LTC1864的工作时序图[10]
读取A/D采样值子程序流程图如图4-3所示。

图4-3 读取A/D采样值子程序流程图

4.2.2 多次读取A/D采样值子程序的设计
为防止基准源电压的波动和所带来的A/D采样值误差，我们需要设计这样一个程序来减小误差：连续读取5次A/D采样值，去掉一个最大值与一个最小值，余下的三个采样值求算术平均值。防止读取A/D采样值干扰子程序流程图如图4-4所示。

图4-4 防止读取A/D采样值干扰子程序流程图
4.2.3 键盘设置子程序的设计
在筛选模式，要输入筛选值及筛选误差。为此，我们设计了设置筛选值与筛选误差子程序。为此，我们共设置了四个按键它们分别是：“光标切换next”、“数字加一/单位加jia”、“数字键一/单位减jian”、“设置完成ok”。筛选值为三位整数一位小数外加单位，例如“999.9k”。筛选误差为两位整数，单位是％，例如“15％”。所以，光标共需切换七次，才能进行一次完整设置，这样给用户带来很不方便，为此设计了“设置完成”按键，在光标切换任何至任何位置时，都可以通过“设置完成”按键，直接完成设置进行筛选。键盘设置子程序流程图如图4-5所示。
图4-5 键盘设置子程序流程图
4.2.4 档位选择、数据处理及数据显示子程序的设计
该部分程序是整个程序最重要的部分，本部分子程序是调A/D采样子程序，然后根据A/D采样后的值进行档位选择，将继电器换到合适档位，再调A/D采样子程序和防干扰多次读取A/D采样值子程序，最后将数据显示在LCD12864上。档位选择、数据处理及数据显示子程序如图4-6所示。
数据处理及显示处理说明：数据定义成float数据类型，这样在乘除时可以直接进行计算，无需进行特殊的乘除和小数计算处理；显示时采用无字库的LCD12864，故必须先建立本系统的字库，显示时只需选择显示位置坐标和字库中的字符即可。

专业文档供参考，如有帮助请下载。