单片机电阻测量概论

1、基于单片机的电阻测量方法探究北京邮电大学张昊摘要：电阻是任何电路中不可缺少的元件，它的作用很多，可以分压限流，可以进行能量转 化，可以应用于传感，电阻阻值的大小直接关系到电路的性能。基于电阻测虽:的方法有很多， 其中利用单片机进行电阻测量是很重要的方法。本次探究中，我们正式是使用了数字化的方 法来实现对模拟电路值的间接测量。TI的Cortex- M4总共为我们提供了四种测量电阻的方 式，并且均可以在液晶板上显示相应的数值。在具体实验时，我们需要在合适的位置加上跳 线帽，并将电阻插在适当的模块上，计算得到我们要测量的电阻。电路的相关原理会在本文 中具体的阐释，实验当中也不可避免的会遇见一些问题，

2、我们也对这些问题进行了探究。关键词：电阻测星单片机 恒流源 ADS1100仪用放大1.背景与意义：电阻是一类很重要的元件，它的作用极大，分压，分流，限流，有些特性电阻还有一般 电路所没有的功能。例如输入电阻是用来衡量放大器对信号源的彫响的一个性能指标。输入 电阻越大，表明放大器从信号源取的电流越小，放大器输入端得到的信号电压也越大，即信 号源电压衰减的少。同时，电阻是产生热损耗与热噪声的重要原因，它的阻值大小直接决左 了电路的好坏，因此用绕电阻测量产生了大量的测疑方法。常见的测量方法有伏安法，半偏 法，电桥法等等，这些都是基本的方法，但普遍精度不高。当前范囤内有许多种精确测量电 阻的方法，比如

3、对于低值电阻，有采用四线制电流倒向技术测量的方法，髙值电阻而言，也 有兆欧的欧姆表用于测量。本次探究是基于单片机的电阻测疑，它也可以很大程度上提高精 度，并且方便简单，由于使用了嵌入式系统，数字化测量方法是其一大特点，对于这一方法 的探究很有价值，并且它拥有广阔应用前景。2.内容及原理:围绕电阻测量展开，我们分别用了 4种方式，分别是恒流源，电桥配上adsllOO与仪用 放大器，共同目的是精准地测量电阻，每个实验所测电阻均是通过万用表测量与LCD显示屏 所示数据计算所得，并将两种做法进行比较，得出一致的结论。2.1恒流源电路测量电阻2.1.1恒流源电路原理恒流源提供给电阻R4大约2. 5v电压

4、，产生1mA的电流，并且接上了两级放大器，结成 了达林顿结构，增大了电路电流的增益，使得流过待测电阻上的电流约在1mA，产生电压信 号。由于所得的电压信号是交流的，分析其频谱会发现，有一部分髙频在采样的过程中会产 生频谱混叠，产生失真。故在采样前，我们先加了一级抗混叠滤波器，它本质是个低通滤波 器，通过滤去高频部分抑制混叠。3.3V参考电压"Tci2丄2图2.0 相关测量电路具体结构2.1.2 ADS11OO采样电路相关原理具体采样时，使用了 ADS11OO这样一个芯片（如图2.0）。该芯片具有髙共模抑制比，高输入阻抗，低功耗等突出特点。在这里，我们使用该芯片对电压信号进行编码，所产

5、生的 编码值经过芯片的自动增益调肖，使得采样信号更加精准，测量更加接近真实值。我们分别 将通过万用表测量与单片机测量得出的结果进行对比，做岀了关系曲线（如图2.1）,发现 两者基本拟合。2.1.3仪用放大器原理待测电阻两端的电压首先经过了仪表放大INA333,仪表放大器用来对待测电阻两端的 差分信号差分放大并转换为单端信号.INA333是微功耗零漂移轨到轨精密仪表放大器，其 内部由两级放大的三个放大器及RF滤波电路组成。前面两个输入缓冲放大器作为第一级 来提高放大器输入阻抗，并在第一级的外部通过RG提供差分信号的增益（保持共模信号不 变），在第二级（即差动放大器）提供第二次差分信号的增益，并抑

6、制共模信号（如图2.0）。 这样差分信号可以被两级放大，因此仪表放大器的放大倍数可以相当大，可以设左在1 1000之间。本实验中，取增益调整电阻R11为11KQ,这样仪表放大器的放大倍数G为 10.为了使放大器能够反映负压的输岀，需增偏苣电压YREF,通过调节电位器R19可以实 现不同分压。液晶屏显示电压值u二I*R*G+VREF,实验测量中将跳线JP7的“2” “3”端短 接，偏置电压VREF为0V.仪放I7A333要求输入端共模电压在100诃以上,故被测电阻值 不应超过100欧。2.1.4原始测量数据经过整理的测虽数据如下:(VIN+)-(VIN-)/VRxl计算/QRxl直测/Q误差/%

7、0. 8769876.9872.90.458242641.01421014. 21012. 60.158009090. 6207620.7615.50.844841590. 3318331.8331.30.150920620. 1298129.8129.80表2.1 恒流源+ADS1100(VIN+)-(VIN-)/VRx2计算/QRx2直测/ Q误差/%0. 55755.7150. 86-63. 0783510. 47447.4105. 93-55. 2534690. 42242.278. 75-46. 4126980. 36936.950. 28-26. 6109790. 35235.24

8、1.11-14.3760640.31531.530. 622.87393860. 20720.720. 381.570166830. 10110. 110. 060.397614310. 15815.815. 581.412066750. 26226.225. 353. 3530572表2.2恒流源+仪用放大器2.1.5数据处理我们同时使用万用表与单片机两种方式测咼电阻值，得到曲线（图2. 1与图22）如下:恒流源+ADS1100测量电阻-电压图电压/VT- Rxli |算/Q f - Rxl 直测/Q图21电阻，电压关系曲线图恒流源+仪用INA333测量电阻-电压图a图2. 2仪用放大器电压

9、电阻关系曲线可以看出使用ADS1100的电路测量电阻值在很大范围内十分精准，而使用仪用放大器 测得的电阻值在35欧姆以上出现了较大偏差，说明该种测量方法存在较大输入限制。2.2电桥电路测量电阻2.2.1电桥电路原理电桥法测量电阻是一种很重要的测量技术，电阻电桥可以用电流源驱动，也可以用电压 源驱动。当桥臂电阻发生变化时，电桥的平衡被打破，电桥输出一个电压。这个电压就反映 了电阻的大小。当电桥的四个桥臂电阻都相同，即电桥平衡时，电桥输出电压为ov。当调 节待测电阻的阻值在01KQ变化时（实际应用中电阻阻值变化非常小），电桥不再平衡， 电桥输岀电压由公式给岀。经过抗混叠滤波器和ADS1100采样电

10、路后，进入单片机。如果 电桥桥臂电阻不匹配，就会导致电桥不平衡，此时测量电阻的误差非线性的，很难进行修 正。其步骤如下：调节待测电阻（电位器）阻值为0,测试测试点Vin+和Vin-之间的电 压是否为零。如果不为零，需要更改电桥桥骨电阻。对于电桥测电阻，四个桥臂电阻最好 使用精密电阻，以实现良好的匹配。2.2.2实验原始数据(VIN+)-(VIN-)/VRx3计算/ QRx3直测/Q误差/%0. 082104.591837100. 354.227042090. 194266.483516261.31.983741480. 308459.016393449.72.071690780. 387612

11、.826603604.51.377436450. 496859.618718850.71.0483975表2.3 电桥法+ADS1100(VIN+)-(VIN-)/VRx4计算/ QRx4直测/Q误差/%0. 38547.7815751.88-7.89982661.521203. 084318201.80.636431140. 78399.6373354102. 42-2.71691532. 208308. 984047304.181.579343492.819412.104378402.42.411624833. 057454. 809194503.6-9.68840463. 056454.

12、 626599602.9-24.593366表2.4电桥法+仪用放大器2.2.3实验数据处理我们使用万用表先测得原始电阻值.再将使用电桥情况下得到的电压值代入相关公式,算出理论电阻值.二者结合得到曲线（图2.3与图2.4）如下:电桥+ADS1110测量电阻电压图-一 Rx3 i I算/Q T- Rx3 直测/Q图2.3电桥加ADS1100电压电阻关系曲线电桥+仪用INA333测量电阻-电压图 Rx4 汁算/Q Rx4 直测/Q图2.4电桥加仪用放大器电压电阻关系曲线由上图可以看出使用ADS1100的电路测量电阻值在很大范用内十分精准，而使用仪用 放大器测得的电阻值在400欧姆以上出现了较大偏差

13、，说明该种测量方法存在输入限制。3单片机电阻测量部分程序示例：2、ADC初始化*初始化克DC获収滚轮电压值，用于电桥电路测量电阻/I/ M4 PB4 <ADCO模数转换信号源/I define ADC_BASEADCO_BASE/ 使用ADCO#define SequenceNum 3/ 使丿H丿宇歹lj3void Init_ADC_Detect()/使能ADCO外设ROM_SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADCO);/使能Port B外设端口ROM_SysCtlPeriph"a：LEnab：LE (SYSCTL_PERIPH_GPIO

14、B); /选择PB4作为模数装换ADC的管脚ROM_GPIOPinTypeADC(GPIO_PORTB_BASE z GPIO_PIN_4); /配置采样席列的触发源和优先级ROM_ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, SequenceNum,ADC_TRIGGER_PROCESSORZ 0);/配置采样序列发生器的步进ROM_ADCSequenceStmpConfigurm(ADC_BASE, SequenceNum, 0, ADC_CTL_CH10 | ADC_CTL_IE |ADC_CTL_END);/使能i个采样序列ROM_ADCSequenceEnable (

15、ADC_BASEZ SequenceNum);/清除采样序列中断源ROM_ADCIn(ADC_BASE, SequenceNum);2.ADC数据采样在程序主循环中以一怎更新频率的不断采样ADC外设端口的电压值while(1)/对while做125ms的延时，每秒刷新频率为8HnROM_SysCtlDelay (SysCtlClockGet () / 3 / 30);/# /ADC测电阻ADCProcessorTrigger(ADC_BASE, SequenceNum);/等待完成AD转换while(!ADCIntStatus(ADC_BASE, SequenceNum, false)/淸楚A

16、DC中断标志位ADCIntClear(ADC_BASE, SequenceNum);/读取ADC值ADCSequenceDataGet(ADC_BASE, SequenceNum, pui32ADC0Value); /根据参考电平3.3V将获取的数字量转化为实际电压值 sample_Bridge_Average = (pui32ADC0Value0 * 3300) / 4096; 4. 探究结论：四组测量中，我们均将万用表测量电阻与单片机测疑电阻进行对比，并作出了相应的 曲线，发现除了仪用放大对测量电阻值范国有相应的要求外，苴余实验结果均表明利用该系 统所测量的电阻阻值很精确。ADS1100与仪用放大器均使用了差分电路，抑制了共模信号, 前者还带有自动电压增益控制，后者对输出电压值进行了显著地放大，所有这些为构建一个 精确而稳定的测量