基于单片机电阻测量仪的设计

1、基于单片机电阻测量仪的设计 第 10 页 共 10 页基于单片机电阻测量仪的设计摘要:为解决电路测量过程中经常遇到的测量小电阻的问题,文中设计了一种基于单片机AT89C51的电阻测量仪。该仪器以AT89C51单片机作为控制核心，具有数据采集、A/D转换、数据存储、数据处理及LED显示等功能。该电阻测量仪具有低功耗、高精度、携带方便、显示直观等优点，特别适于工作现场的测量。关键词：电阻测量仪，AT89C51单片机，电阻电压转换1引言单片机具有体积小、价格低、功能强、可靠性好及使用方便灵活的特点，在智能化仪器仪表的设计和研究上得到了广泛的应用。在电路的测量过程中我们常会由于忽略某些小电阻的影响而引

2、起实验数据与理论值之间存在较大的误差，从而影响测试结果。由于其数值较小，一般用万用表无法测量出来，而实验室通常所用的电桥测量又具有操作过程繁琐且不能够直接读出被测电阻值的缺点。鉴于此，选用了单片机，利用其优势设计了电阻测量仪。利用该测量仪可以直接从LED显示器读出被测电阻的阻值，在电子设计、电子维修等行业具有广泛的应用前景。2电阻测量仪的硬件结构及其原理电阻测量仪的原理框图如图1所示，主要包括电阻电压转换器、放大器、单片机小系统、LED显示器等几部分组成。本设计是以AT89C51单片机为控制核心，在被测电阻上取出电阻上两端的压降，经放大器放大转换为0V5V的直流电压，然后送入ADC进行A/D转

3、换，经单片机处理后通过LED显示器显示被测电阻阻值。图1电阻测量仪的原理框图2.1 恒流源电路要提高该测量仪的测量精度和稳定性，关键在于恒流源的精度、稳定性。恒流源电路见图2所示。图2恒流源电路在图2中，为稳压管，稳压后的电压经过电阻器分压后得到基准电压；、组合成复合管，以便能输出较大的电流；负载电压即，通过电阻反馈到放大器的同相输入端；为量程切换开关；构成取样电阻，其阻值由量程开关而定。在的前提下，I，根据运算放大器的特点，可得：当100k,k时，得：由上式可知流过被测电阻的电流I与基准电压成正比，与采样电阻成反比，与被测电阻无关。故在、为定值时I固定不变, 上述电路具有恒流作用。并且由此可

4、见基准电压与采样电阻的稳定性将影响恒流源的稳定性。因此在选择元器件时除了要选择高增益、低漂流的运放外，对于产生基准电压的稳定管与采样电阻的选择也是至关重要的。此处选用具有恒温控制的稳压管LM399，以减小环境温度变化而引起的影响；、选用低温度系数的金属膜电阻和电位器，从而保证了恒流源基准电压的稳定性；、选用锰铜电阻，选用精密线绕电阻，它们具有较低的温度系数；、选用经过筛选的精密金属膜电阻，使它们的相对偏差控制在0.01%之间。2.2电阻电压转换电路电阻电压转换电路如图3所示， 为量程电阻，只要使 两端呈等电位，此时 0，则相当于开路，变成运放的负载电阻， 和 就不起分流作用，这样即可直接测量

5、的阻值。E 为测试电压， 为测试电流。设流过、 的电流分别为、。根据基尔霍夫定律可知：又根据“虚地”原理， 0，故 0，亦可忽略不计，由此得到：再考虑到c 点接地，d 点为虚地，因此E/进而推导出 (E/)图3电阻电压转换电路2.3放大器放大器采用分辨率高、线性度好、输入阻抗高、抗干扰性强的差分放大器。结构如图4所示图4差分放大器电路图图中，当=，=时，经此差分放大器处理后，可得：=（1+（+）/）=（1+（+）/）I由式上可知，输出端电压与待测电阻成正比。放大器的放大倍数由、而定。此处，设置放大器的放大倍数为10，在输出端得到0V5V的直流电压，送入ADC0809的A/D端进行转换。为了保证

6、放大器的分辨率及稳定性，集成运放、选用高精度、低噪声、低漂移的MAX495，反馈支路的电阻均选用高精度、低温度系数的精密电阻，此外还采取了一些屏蔽措施有效地抑制噪声和干扰。另外，测量时被测电阻与测量仪器间采用四端接线法，这样，当被测电阻较小时，可避免导线电阻和接触电阻的影响。2.4 A/D转换电路该电阻测量仪的A/D转换器是采用ADC0809。 ADC0809八位逐次逼近式转换器是一种单片器件，包括模拟转换器、通道转换开关和微处理器兼容的控制逻辑。路转换开关能直接连通个单端模拟信号中的任何一个。ADC0809八位逐次逼近式转换器是一种单片器件，包括模拟转换器、通道转换开关和微处理器兼容的控制逻

7、辑。路转换开关能直接连通个单端模拟信号中的任何一个。其芯片结构结构图如图5所示图5 ADC0809的芯片结构图2.5 单片机系统根据低功耗和低成本的设计要求，仪器选用AT89C51单片机，AT89C51是ATMEL公司生产的一种低电压、高性能CMOS8位单片机，管脚少，体积小，且功能强。片内含4KB的可反复擦写的只读FLASH程序存储器和128位的随机存取数据存储器。其芯片结构图如图6所示。AT89C51系列单片机有两个较大的优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小。本测量仪的设计以AT89C51单片机为核心，利用其内部

8、的数据采集模块、A/D转换模块对模拟电压转换为数据电压。另有两个16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时和产生计数溢出中断要求的功能。单片机系统完成数据采集、数据处理、键盘输入、LED显示等多种智能功能。 图6 AT89C51芯片结构图2.6显示接口电路本仪器中采用的是LED动态显示接口电路，其中8路反向驱动芯片做字形驱动，可选用8路三态同相缓冲器74HC244。6路反相器驱动芯片做位选驱动，可使用6路集电极开路反相门电路7406（OC门输出）。数码管是8段共阴极，所以发光时字形驱动输出“1”有效，位选驱动输出“0”有效。本测量仪中的LED显示电路工作方式是分时轮流选通数码管

9、的公共端，使得各个数码管轮流导通，即各数码管是由脉冲电流导电的(导电时间一般为1ms)。当所有数码管依次显示一遍后，软件控制循环，使每位显示器分时点亮。这种方式不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段线是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。各个数码管虽然是分时轮流通电的，但由于发光数码管具有余晖特性及人眼具有视觉暂留作用，所以适当选取循环扫描频率时，看上去所有数码管是同时点亮的，觉察不出有闪烁现象，其LED动态扫描电路如下图7所示。图7 LED动态扫描电路3软件设计3.1 系统主程序设计主程序主要实现系统的初始化、显示数据，设定相关的信息。系统初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、

10、堆栈、中断寄存器等），LED初始化，输出端口的初始化，采集、累积数据的初始化。显示数据包括数据转换（主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成液晶显示所需的数据类型）和显示屏的刷新（包括刷新采集数据屏和根据按下的键更改显示屏）。系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,他是单片机系统程序的框图。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器,单片机工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后，通过调用数据采集子程序采集模拟电压，采集到的模拟电压通过调用A/D转换子程序将模拟电压转换为数字量，然后再通过调用数据处理子程序将电压值转换为电阻值，最后通过调用显示子

11、程序显示电阻值。主程序流程图如图8示。图8 系统主程序流程图3.2 软件子模块设计系统软件的设计考虑各种功能之间的时序关系，信号检测是控制的主要功能，这里采取优先中断的方法对模拟电压数据进行采集、处理，本设计的程序设计主要是把采集到的模拟电压信号经A/D转换变成数字量，然后通过软件分法得到电阻值，再进行显示等处理，其中软件编程采用模块化、结构化思想主要实现以下功能：3.2.1 数据采集模块数据的采集部分是整个测量仪的核心部分，它对保证测量仪的测量精度起着决定性的作用。本设计利用单片机系统数据采集模块对模拟电压进行采集。3.2.2 A/D转换模块A/D转换模块将模拟电压值转换成数字信号并读取到单

12、片机内部。本设计采用的模/数转换设备为ADC0809芯片，是最常用的8位模数转换器。它的模数转换原理采用逐次逼进型，8路输入模拟量的变化范围是05V。0809的EOC用作外部中断请求源，用中断方式读取A/D转换结果。电阻测量仪的设计主要是利用0809循环检测8路模拟电压量的输入，将读数依次存放在片外数据存储器A0HA7H单元，图9为A/D转换电路图9A/D转换电路其初始化程序和中断程序如下：初始化程序： MOV R0，#0A0H ；数据暂存区首址 MOV R2，#08H ；8路计数初值 SETB IT1 ；置脉冲触发方式 MOV IE，#10000100BH ；CPU开中断，允许申请开中断 M

13、OV DPTR，#0FEF8H ；指向0809首地址MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 SJMP ；等中断中断服务子程序:MOVX A,DPTR ；读数 MOVX DPTR，A ；存数 INC DPTR ；更新通道INC R0 ；更新暂存单元MOVX DPTR，A ；启动A/D转换DJNZ R2，BACK ；是否检测完8路？未完转中断返回CLR EA ；结束，关中断BACK： RETI3.2.3 数据处理模块单片机通过片内的异步通用串行模块将转化结果送入主机内进行实时处理，经计算处理后得到的电参量根据实际情况存储到相应的存储空间。3.2.4键盘显示模块本设计采用LED显示，程序流程图如下

14、图10所示图10 LED程序流程图4 结果及讨论利用此电阻测量仪进行实测，其测试结果如表1、表2。由表1可知，实测试验电压误差均在0.3%以下，输出电压稳定度高且波纹小，这给电阻的测量精度提供了最根本的保障，较小电阻和较大电阻范围内准确度也达到了3%以下，且经过反复试验，实测阻值非常稳定，方差很小，采用覆以单片机的实时有效控制保证了测量的稳定度和抗干扰性。表实验电压测量示值/V实测绝对误差500501.30.261000997.40.26500049910.18表2实验电阻测量测量电阻值/ 1788632.74被测电阻值/178414191050170.333.25测

15、量误差/%0.20.070.50.41.65总结本电阻测量仪系统的软、硬件设计能满足用户应用的要求，除了在实验室使用外，因其体积小、携带方便、特别适用于工作现场的测量。本文采用的单片机给制作带来了方便，这样既能降低成本，工作也非常可靠；本机的显示器采用LED高亮度数码管，消耗的电能较少，故也能设计成直流或交直流.参考文献1 李立伟，邹积岩，新型双钳口接地电阻在线测量仪，电力系统自动化，2003，(14)。2 王鸿钰，凌庆军，接地电阻和接地电阻的测量，电子仪器仪表用户，1999，(02)。3 周翟和，王友仁，孔德明，高精度电力系统接地电阻测量仪，电力系统自动化，2004，(06)。4 姚孟君，赵

16、军红，徐斌，接地电阻测量方法的探测，电工技术杂志，2003，(04)。5 孙金伯，接地电阻的测量方法，中国设备工程，2005，(02)。Design of a Measuring instrument for Resistance based on single chip designOuyanglinlin(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 246011)Abstract:In order to solve the problem of measuring the sma

17、ll resistance in the circuit measurement process, this article introduces the design of a measuring instrument for resistance based on AT89C51 microcontroller. The instrument with the core of AT89C51 microcontroller core,which have the function of data acquisition, A / D conversion, data storage, data processing and LED display. The measuring instrument for resistance ,which has the advantages of smal