单片机课程设计-电阻量测量.doc

农业装备工程学院课程设计说明书

电阻量测量
摘 要
本设计基于单片机和AD转换器实现电阻的测量。采用ADC0808，实现由模拟电压转换到数字信号，通过单片机系统AT89C51处理后，由LCD显示器显示被测量电阻的阻值。测量范围为1Ω～5KΩ，精度大于98%。其中稳压电源采用的是三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源，对单片机、A/D转换器、LCD显示器供电。
本设计从硬件和软件两部分入手，其中硬件分为数据采集、模数转换、数据显示三个模块。数据采集通过我们对两方案的分析与对比，决定采用桥式法测量被测电阻电压，A/D转换器使用常见的仿真器件ADC0808，数据显示使用LCD1602。硬件设计完成后，用Keil编程，编写每个模块的程序。接着使用Proteus对设计的硬件进行仿真，记录数据并进行了分析，得出误差小，测量范围大的结论。最后使用Altium Designer绘制仿真电路的原理图和PCB板。

关键词：AT89C51单片机，Proteus仿真，数据处理

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目 录
第一章 绪论 1
第二章 总体设计 2
§2.1总体设计思路 2
第三章 硬件设计 5
§3.1直流稳压电源电路的设计 5
§3.2电压测量的设计 5
§3.3模数ADC转换的设计 7
§3.4 液晶显示电路的设计 7
第四章 软件设计 11
§4.1 主程序工作流程图 11
§4.2 程序设计 11
第五章 软件仿真 12
§5.1 Protues仿真图 12
§5.2 Altium Designer原理图 14
第六章 设计结论 16
参考文献 17
附录 19

第一章 绪论
随着现代科技的飞速发展，生产生活中人们对工具的要求越来越高。其中对我们日常所使用的电阻表的精度和性能也要求越来越高，并且电阻表完全可以通过现代科技来实现智能化，测量不同阻值的电阻。测量不同阻值的电阻时，可以更换档位。并且同时显示出阻值和量程。
目前市面上测量电子元器件参数R的仪表种类较多，方法和优缺点也各有不同。一般的测量方法都存在计算复杂，不易实现自动测量而且很难实现智能化等缺点。将电阻参数转化为电压形式，并通过模数转换，这样处理一方面使测量精度提高了，另一方面也便于使仪表实现智能化，并能很好的实现各个要求。
本设计从硬件和软件两部分入手，其中硬件分为数据采集、模数转换、数据显示三个模块。数据采集我们采用桥式法测量被测电阻电压，A/D转换器使用常见的仿真器件ADC0808，数据显示使用LCD1602。硬件设计完成后用Keil编程，具体程序在正文当中，最后对设计的电路进行仿真，记录显示数据和实际数据，并进行数据对比，得出结论。

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第二章 总体设计
§2.1总体设计思路
本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为电压测量（数据采集）、模数转换、阻值显示等子模块。电路结构可划分为：电压测量，电压转换电阻，阻值显示及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、显示等功能。
从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：电压测量电路，电压转换电路，阻值显示电路、单片机及相关的控制软件组成。
A/D转换器：ADC0809是很常用的一款8位的模数转换芯片。而ADC0808是0809的简化版，主要的不同点是0808的转换输出out0-7与常用的输出端高低位是相反的，即0809的最低位是out0，0808的最低位是out7.ADC0808在实际中不常用，实际中常用的是0809，而0808最常用的是在proteus仿真里面，因为0809是没有模型库，无法仿真的。ADC 0808和ADC 0809除精度略有差别外(前者精度为8位、后者精度为7位)，其余各方面完全相同。它们都是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
1) 主要技术指标和特性
（1）分辨率： 8位。
（2）总的不可调误差： ADC0808为±2LSB,ADC 0809为±1LSB。
（3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。
（4）单一电源： +5V。
（5）模拟输入电压范围： 单极性0～5V；双极性±5V,±10V(需外加一定电路)。
（6）具有可控三态输出缓存器。
（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始工作。
（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。
2) 部分外部引脚介绍
（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。
（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。
（3）ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。
（4）VR(+)、VR(-)——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。
显示器：选用LCD1602。工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
特性：
3.3V或5V工作电压，对比度可调；
内含复位电路；
提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；
有80字节显示数据存储器DDRAM；
内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM;
8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM；
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中；
操作控制。
它们之间的构成框图如图2-1总体设计框图所示：

AT89C51

LCD显示
电压转换电阻（ADC0808）
测量精度选择

电压测量

图2-1 总体设计框图
处理器采用51系列单片机AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。当测量一个电阻时，经过电压采集，电压转换为电阻，电阻显示三个部分可以在LCD上显示该被测电阻的阻值。当被测电阻为100Ω范围以内时，通过开关选择测量量程，再次测量该电阻，以减小误差。

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第三章 硬件设计
§3.1直流稳压电源电路的设计
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源电路的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。电子设备除用电池供电外，还采用市电（交流电网）供电。通过变压、整流、滤波和稳压后，得到稳定的直流电。直流稳压电源是电子设备的重要组成部分！本项目直流稳压电源为+5V。如下图所示：
直流稳压电源的制作一般有3种制作形式，分别是分立元件构成的稳压电源、线性集成稳压电源和开关稳压电源。下图稳压电源采用的是三端集成稳压器7805构成的正5V直流电源。

图3-1 三端固定式集成稳压电源电路图
§3.2电压测量的设计
电路的论证与对比
方案一
利用单稳或电容充放电规律等，可以把被测电阻量的大小转换成脉冲的宽窄，即脉冲的宽度Tx与Rx成正比。只要把此脉冲和频率固定不变的方波（以下称为时钟脉冲）相与，便可以得到计数脉冲，将它送给数字显示器。如果时钟脉冲的频率等参数合适，便可实现测量电阻。计数控制电路输出的脉冲宽度Tx应与Rx成正比，其电路原理图及具体555单稳态触发器的构成及仿真如图3-2所示。

A/D转换电路

译码-驱动-显示电路
555单稳态电路

图3-2 方案一原理图
用555构成的单稳态电路在正常工作条件下输出脉冲的宽度Tx与Rx关系是：
Tx=R*Cx*ln3
所产生的时间误差可能达到百分之十五，再加上其他原因产生的误差，测量是的时间延迟太大。
方案二
用ADC0808电阻测量，以已知的电阻作为基准电阻。和被测电阻进行分压，分压比例得出电阻比例。

用ACD0808测量电阻时间误差为10%以下，分辨率高，输出能与TTL电平兼容。其原理图如图所示。
译码-驱动-显示电路
A/D转换电路
简易外围电路

图3-3 方案二原理图
方案的对比与比较
由于课程设计的要求是电阻测量需要简单的外围检测电路，将电阻转换为电压。测试：误差10%。通过比较以上两个方案，可知方案二相对来说比较适合。所以选用方案二作为实验方案。
如图3-4所示为被测电阻电压测量。电压经过已知电阻R1和被测电阻Rx接到地。通过OUT输出被测电阻Rx上的电压。送到ADC0808的IN0口。

图3-4 被测电阻电压测量图
§3.3模数ADC转换的设计
由电压测量得到的电压经过ADC模数转换可得到8位的电压值，经过欧姆定律（即电压之比等于电阻之比）可得到被测电阻的阻值的大小。公式如下

本设计用到的R1的阻值为600Ω和300Ω。
由被测电阻得到的电压经ADC0808的26脚IN0输入，经过内部的AD转换，在OUT1～7输出数字电压量，经过上述公式的转变，在P2口上的显示的数字量为被测电阻的阻值数字量。如图3-5所示为被测电阻电压量转换为阻值量。
IN0
ADC0808
OUT1~OUT7

OUT

P2

图3-5 被测电阻电压量转换为阻值量图
§3.4 液晶显示电路的设计
经过ADC0809模数转换得到的电阻值数字量，在MCU的P2口输入，MCU系统处理后在P0口由LCD1602显示出来该被测电阻的阻值。如图3-6所示为被测电阻阻值显示。
D0~D7

LCD1602
P0

AT89C51

P2

ADC OUT1~OUT7
图3-6 被测电阻阻值显示图
单片机时钟电路的设计：
本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，用于外接一个12MHz石英晶体振荡器和2个30pF微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。如图3-7所示为时钟电路。

图3-7 时钟电路图
单片机复位电路的设计：
确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端口持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作[6]。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图3-8所示为复位电路。

图3-8 复位电路图
由时钟电路和复位电路连接的单片机最小系统如下图所示：

图3-9 单片机最小系统
系统硬件电路的选择及说明：
硬件电路的设计如上文图中所示，从以上的分析可知本设计中要用到如下器件：AT89C51、ADC0808转换器、LCD1602、按键等一些单片机外围应用电路，以及单片机的手工复位，单片机电源电路等。其中R3，R6电阻为已知电阻，R4，R5为不同测量精度下的未知电阻，开始工作时可在LCD上观察到被测电阻的阻值。电路设有2个按键，S1键作为阻值测量精度的选择键，S2键作为电路复位键。
第四章 软件设计
§4.1 主程序工作流程图
按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序流程图如下图所示开始

系统初始化

（重新）放置电阻
选择测量精度开关S1，重测此电阻

初次显示

无正常显示 <300Ω
最终显示
正常显示

结束

图4-1 主程序工作流程图
§4.2 程序设计
A/D转换程序、SMC1602驱动程序、主函数见附录。

第五章 软件仿真
§5.1 Proteus仿真图
本设计通过利用Proteus仿真，将所编写的程序用Keil软件编译。
本设计所要求达到的目标是测量一个电阻，在误差允许范围内，通过LCD1602显示出该电阻的阻值。
仿真图如下图所示：
图5-1 Proteus电路仿真图
表5-1 仿真测量电阻阻值
实际电阻（Ω）
仿真测量
（600Ω）
硬件测量（600Ω）
仿真测量
（300Ω）
硬件测量
（300Ω）
1.2
2
0
1
1
1.5
2
0
1
1
2.6
2
2
2
2
5.4
4
4
6
4
6.3
7
4
6
6
10
9
9
9
10
14
14
12
13
12
47
48
48
47
47
49
48
48
49
49
51
51
51
50
52
90
89
89
90
92
100
98
98
100
100
220
218
222
220
223
240
240
245
238
246
300
300
300
297
297
330
327
338
332
337
470
469
477
472
480
510
508
516
513
522
550
550
567
550
569
1K
993
1027
996
1066
2K1
2084
2233
2090
2337
3K
2985
3042
3026
3177
3K3
3323
3426
3342
3525
3K5
3535
3771
3525
3950
§5.2 Altium Designer原理图
除仿真之外，本设计又使用Altium Designer绘制了硬件电路的原理图，如下图所示：

图5-2 硬件电路的原理图
其中电源电路的设计如图5-3所示

图5-3 电源电路图
本设计使用USB接口给电路提供+5V电压，与使用Proteus仿真电路有所不同。电路中所有的高电平全部接在VCC端，地接在USB接口的4号脚上。通电时红灯LED-R亮。
经过对原理图编译，更新后产生的PCB板见附录，在此只展示了PCB板的顶层。

第六章 设计结论
本设计研究了一种基于单片机技术的电阻测量。由电路知识可以容易测出一个电阻上的电压。由于测量的电压是模拟量，故用ADC转换器转换为数字量，再由单片机系统处理，再将数据传送给显示器即可完成电阻的阻值测量和显示。
由于数字量在数值上是离散的，通过此种方法得到的阻值存在着误差，为了尽可能的减小此误差，在选择已知电阻上，试用了很多电阻。通过大量数据与实际电阻的阻值相比较，以及实验室能提供的电阻，选用了600Ω和300Ω的已知电阻，用不同的量程可以尽可能的减小误差。表5-1中给出了部分电阻的硬件电路测量结果，从中可以得知，同一电阻，用不同的量程测量得到不同的阻值，存在的误差也很明显。本设计只采用了两种已知电阻，也就是2个量程测量电阻，测量范围从1Ω～5KΩ，精度大于98%。若提高测量精度，只需增加更大的量程，即可完成大电阻的阻值测量。由于硬件电路的连接，元器件不理想等原因，实际测量电阻的阻值与仿真得到的阻值还是有一定误差的。
虽然硬件电路能正常工作，但程序以及元器件的选择不足，使得这次设计并没有达到很好的测量效果，对微欧姆级和K欧姆级电阻无法测量，还是感到不理想。
通过此次设计，尤其在硬件电路的设计的方面，使我对单片机系统有了更好的认识。在以后的学习中，会更加注重设计原理与硬件电路的相结合，做好每一个设计，达到理想的要求。

参考文献
[1] 史翔，张岳涛.基于AT89C51单片机微电阻测量系统[J]. 甘肃科技，2011年8月
[2] 周瑞景. Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M]. 北京：电子工业出版社，2010
[3] 李全利.单片机原理及接口技术[M].2版. 北京：高等教育出版社，2013
[4] 王东峰，王会良.单片机C语言应用100例[M].北京：电子工业出版社，2012
[5] 彭伟. 单片机C语言程序设计实训100例—基于8051+Proteus仿真.北京：电子工业出版社，2010
[6] 张毅刚 彭喜元,彭宇.单片机原理及应用.北京:高等教育出版社,2010.5
[7] 郭天祥 新概念51单片机C语言教程.北京:电子工业出版社,2009.1
[8] 张毅刚 基于Proteus的单片机课程的基础实验与课程设计 北京：人民邮电出版社，2012
[9] Alan B. Marcovitz Introduction to logic Design.北京：电子工业出版社，2013

附录

硬件电路PCB板
各模块程序：
A/D转换函数：
#include <at89x51.h>
#define START P3_4 //ATART，ALE接口。0->1->0:启动AD转换。
#define EOC P3_3 //转换完毕由0变1.
#define OUTPORT P2
#define K1 P1_0
//AD转换函数，返回转换结果。
//转换结果是3位数
unsigned int uiADTransform()
{
float uiResult;
START=1; //启动AD转换。
START=0;
while(EOC==0); //等待转换结束。
uiResult=OUTPORT; //输入转换结果。
P1=0xFF;
if(K1==1)
uiResult=uiResult*600/(255-uiResult); //已知电阻为600欧姆，计算未知电阻，测量大电阻，0-9999欧姆
else uiResult=uiResult*300/(255-uiResult); //已知电阻为300欧姆，计算另外的电阻，测量大电阻，0-9999欧姆
return uiResult;
}

SMC1602驱动程序：
#include "SMC1602.h"
void vWriteCMD(unsigned char ucCommand)
{
vDelay(); //先延时。
LCDE=1; //然后把LCD改为写入命令状态。
LCDRS=0;
LCDRW=0;
LCDPORT=ucCommand; //再输出命令。
LCDE=0; //最后执行命令。
}
void vWriteData(unsigned char ucData)
{
vDelay(); //先延时。
LCDE=1; //然后把LCD改为写入数据状态。
LCDRS=1;
LCDRW=0;
LCDPORT=ucData; //再输出数据。
LCDE=0; //最后显示数据。
}
void vShowOneChar(unsigned char ucChar)
{
switch(ucChar)
{
case ' ': vWriteData(0x20);break;
case ':': vWriteData(0x3A);break;
case '(': vWriteData(0x28);break;
case ')': vWriteData(0x29);break;
case '0': vWriteData(0x30);break;
case '1': vWriteData(0x31);break;
case '2': vWriteData(0x32);break;
case '3': vWriteData(0x33);break;
case '4': vWriteData(0x34);break;
case '5': vWriteData(0x35);break;
case '6': vWriteData(0x36);break;
case '7': vWriteData(0x37);break;
case '8': vWriteData(0x38);break;
case '9': vWriteData(0x39);break;

case 'R': vWriteData(0x52);break;

case 'a': vWriteData(0x61);break;
case 'c': vWriteData(0x63);break;
case 'e': vWriteData(0x65);break;
case 'i': vWriteData(0x69);break;
case 'n': vWriteData(0x6E);break;
case 's': vWriteData(0x73);break;
case 't': vWriteData(0x74);break;
case '~': vWriteData(0xF4);break; //显示Ω
default: break;
}
}
void vShowChar(unsigned char ucaChar[])
{
unsigned char ucCount;
for(ucCount=0;;ucCount++)
{
vShowOneChar(ucaChar[ucCount]);
if(ucaChar[ucCount+1]=='\0')
break;
}
}

主函数：
//*************************主函数******************************
void main()
{
//<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<设置定时器0>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
TMOD=0x21; //定时器0，模式1。定时器1，模式2
TH0=TIME0H; //对定时器0赋初值
TL0=TIME0L;
TH1=0x14; //对定时器1赋初值
TL1=0x00;
TR0=1; //启动定时器0。
ET0=1; //开定时器0中断。
TR1=1; //启动定时器1。
ET1=1; //开定时器1中断。
EA=1; //开总中断
P1=0xFF;
vdInitialize();
vWriteCMD(0x80); //写入显示起始地址（第一行第一个位置）
vShowChar("Resistance:");
vWriteCMD(0xCD);
vShowChar("(~)"); //显示欧姆符号
while(1)
{
if(b_DATransform==1)
{
b_DATransform=0;
vWriteCMD(0xC4);
vShowRes(uiADTransform());
}
}
}