简易自动电阻测试仪报告

2011年全国大学生电子设计竞赛简易自动电阻测试仪（G题）【高职高专组】2011年9月1日简易自动电阻测试仪摘要电阻是现代电子电路中最常用最常见的电子元件之一，因此对电阻的测量是经常性的工作。根据本届全国电子设计竞赛G题的要求，本系统利用STC公司的16位超低功耗单片机STC12C5A32S2、CD7501和LM358，采用伏安法设计了简易自动电阻测试仪。简易自动电阻测试仪具有：1、阻值测量精确（精度为读数的±1%+2字），2、自动选择合适量程的功能，3、电阻筛选功能，4、数码显示。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。关键词电阻测量仪电子仪器自动量程转换目录一、总体方案设计....................................................................21.1电阻测量方法选择...........................................................................................................................21.2系统整体模块设计...........................................................................................................................2二、理论计算与参数.......................................................................................................................................22.1基准电阻计算选择.............................................................................................................................22.2量程切换参数计算.............................................................................................................................2三、单元电路设计....................................................................23.1六路自动量程切换电路选择..........................................................................................................23.2恒流源的设计.................................................................................................................................43.3单片机的选择与论证.....................................................................................................................43.4显示模块的论证与选择.................................................................................................................5四、软件设计........................................................................54.1单片机资源分配..............................................................54.2软件延时程序................................................................54.3按键键值读取程序............................................................64.4ADC初始化程序...............................................................64.5ADC采样驱动程序.............................................................64.6被测电阻值计算程序..........................................................7五、系统测试........................................................................95.1测试方案..........................................................................................................................................95.2测试条件与仪器..............................................................................................................................95.3测试结果及分析..............................................................................................................................9附录1：测试电路实物图..............................................................10附录2：电路原理图..................................................................13附录3：源程序......................................................................14一、总体方案设计1.1电阻测量方法选择方案一：交流电桥测量法交流电桥的构造及原理均与直流惠斯通电桥相同，电源使用交流电，四臂的阻抗Z1、Z2、Z3、Z4，可以用电阻、电感、电容或其他组合，电桥平衡的条件是Z1×Z2=Z3×Z4此条件显示交流电桥不同于直流电桥：首先条件有两个，因此，需要调节两个参数才能使电桥平衡；其次，阻抗的多样性可以组合成各具特色的电桥，但非所有电桥都能同时满足达到平衡的条件。方案二：LM358恒流源测量法该方法是给待测电阻提供一个恒定电流，利用单片机的AD采集其两端的电压来确定其电阻值。此种方法简单易行，由于电阻变化范围是100Ω~10MΩ，电压变化范围太大，而单片机AD输入范围有限，所以至少需要六个挡才能实现要求的指标。方案三：使用VFC32压频变换法该方法的基本原理是将电阻的变化变成0~10V电压的变化，然后控制压频变换芯片产生线性变化的频率值，单片机通过采集频率值来计算电阻大小。该方法电路简单，频率稳定，只需要两个档位即可完成要求范围内电阻值的测量。经过讨论，我们选择了方案二作为我们测量电阻的方案，即伏安法的恒流源测电阻方法。1.2系统整体模块设计如图所示，本系统主要由基准电阻矩阵模块、自动量程切换模块、恒流源模块、单片机系统、ADC采样模块、数码显示模块、直流稳压电源、控制面板组成。基准电阻矩阵：由精密电阻组成，提供六个量程100Ω、1K、10K、100K、1M、10M的对应的基准电阻，其阻值分别为340Ω、5K、50K、500K、5M、50M。自动量程切换：根据被测电阻的大小，从六个基准电阻中选择最合适的基准电阻。恒流源：由LM358、被测电阻、稳压电源通过深度负反馈线形成恒流源。ADC采样：对LM358的输出端电压进行采样。单片机系统：对采样数据进行处理，控制采样，控制量程自动切换。控制面板：10MΩ量程选择，电源开关，键盘等组成。数码显示：3位数码管和两个KΩ、MΩ单位显示LED灯组成。单片机系统ADC采样自动量程切换恒流源基准电阻矩阵控制面板数码显示待测电阻二、理论计算与参数2.1基准电阻计算选择欧姆定律可知：I=U/R，由于采用7805稳压块提供+5V稳压电压，为方便计算，基准值都采用量程的5倍阻值选择。2.2量程切换参数计算由于基准电阻是量程的5倍阻值，因此，ADC对电压采样后的值如果大于205，则需要扩大量程。三、单元电路设计3.1六路自动量程切换电路选择方案一：小型继电器优势：导通电阻小,继电器电路导通时，导通电阻只有3~4个欧姆,导通电阻几乎可以忽略不计。通过电流大，最大通过电流达到2A。动作可靠，小型继电器的闭合动作非常可靠。劣势：体积较大，小型继电器是三种方案涉及器件中占用空间最大。需要驱动电路，单片机的P口输出功率不能单独驱动继电器工作，须选用合适的驱动电路。频率不高，继电器受制于机械动作，使其动作频率不能太高。运行噪声，小型继电器运行时产生噪声和电磁噪声。方案二：大功率开关管优势：导通电阻小,大功率开关管导通时，导通电阻只有15个欧姆左右,导通电阻几乎可以忽略不计。通过电流大，最大通过电流达到2A。动作可靠，大功率开关管在控制电压的控制下，动作非常可靠。劣势：体积较大，尤其需要附加散热片，散热片占用的空间比较大。价格贵，大功率开头管，毎个价格一般在35元左右，如果采用六通道电路，导致成本上升。六路自动量程切换电路方案三：CD7501/CD4501八路模拟开关优势：体积小，八路通道集成在一块集成块上。容易控制，单片机可以通过P口直接控制，切换方便。、占用资源小，采用译码方式，八路通道选择中用三根地址线即可实现选择。动作可靠，在控制电压的控制下，动作非常可靠。劣势：导通电阻较大，导通电阻达到163欧姆。通过电流不大，导通时最大通过电流仅为20mA。结论：通过对以上测试结果进行比较分析，考虑导通电阻可以通过调整基准电阻进行有效补偿，而切换电路正常工作时，通过电流不会超过10mA，综合分析，自动量程切换电路选用最优方案三，即以CD7501/CD4501八路模拟开关和基准电阻矩阵构成六路自动量程切换电路，根据题目要求测量量程分为：100Ω，1KΩ，10KΩ，10MΩ，因此，对应的基准电阻分别为：500，5K，50K，500K，5M，50M，对应的通道分别为S1，S2，S3，S5，S6，S，具体电路如上图所示。3.2恒流源的设计根据I=U/R，通过提供基准电阻稳定的电压，只要电压源稳定不变，就可以获得恒定的电流。如下图所示，恒流源I（OUT1）与LM358的负相输入端相联，待测电阻Rx作为LM358的反馈电阻接入，根据运算放大器深度负反馈虚短、虚断的概念，推导出Rx=Uo/I，Uo为DVM。、A11A24A016S211S85S67S310S49S58S76S113GND2VDD14VSS15EN3OUT12U1AD7805+12V-12V+5VR1500R25KR350KR4500KP2.4P2.5P2.0R55MR650MS1S3S5S6S1S3S4S5S6OUT1S2S4S23.3单