大学课程设计正文.

1、西华大学课程设计说明书基于单片机的小电阻测试仪摘 要：本文提出了基于单片机的小电阻测量的设计方案，该测试仪通过检测小 电阻两端的电压差，经过高精度的电压放大过后，该电压信号经A/D转换器后将模拟信号转化为数字信号。最后将数字信号送入AT89C51单片机，经过软件滤波和误 差处理，在LCD上显示输出相应的电阻值。该仪器的特点是电路设计简单、测温 精度高、实用性强。关键词：测试仪，小电阻，A/D，AT89C51，LCDAbstract: The text proposed revivificatio n of the resista nee of desig ns, the dosimeters

2、through detect ing the electrical resista nee equal to voltage with high precisi on, the enlargement of the signal, the voltage converter by a d the analog signals into digital sig nal. the figures at89c51 mono lithic in tegrated circuits after the sig nal is sent, filter software and error, the LCD

3、 display the output of resista nee. the in strume nt is a circuit design simple, temperature and practicality. high precisionKeywords: IC Temperature Sensor Temperature Measurement, A/ D, AT89C51, LED第1页西华大学课程设计说明书目录1前言32整体方案设计 42.1 方案论证42.2方案比较53单元模块设计 63.1电阻检测模块63.2测量信号转换模块 73.2.1测量信号转换模块原理 73.2.2

4、 ICL7135 介绍84软件设计125系统调试135.1硬件调试135.1.1恒流源调试135.1.2弱信号放大器调试 135.2软件调试146系统功能和指标参数167总结177.1设计小结177.2设计收获177.3设计改进178参考文献18附录1:电路总图19附录2 :软件代码20第2页西华大学课程设计说明书1前言在电路测试过程中常常会碰到由于忽略某些小电阻的影响引起实验数据与理论值之间 存在较大误差，从而影响测试效果。例如电感器、变压器中往往存在铜电阻，地铁铁轨的 电阻；由于其数值较小，一般的指针万用表无法测量出来；通常实验室里会用电桥进行测 量，但电桥操作手续较烦，又不能直接读出被测

5、电阻阻值。鉴于此，我们采用了单片机， 利用单片机的优势设计了该测量仪。该测量仪可直接从LCD显示屏上读出所测得的电阻值, 测量范围为1mQ1Q。该测试仪的测量精度高达 ±).1%,并采用四端测量法，电阻值不受 引线长短及接触电阻的影响。不仅测量简便，读数直观，且测量精度、分辨率也高于一般 电桥。可用于实验室、研究所，尤其适用于工作现场。第3页西华大学课程设计说明书2整体方案设计本设计的整体思路是：通过测量待测电阻两端的电压，通过集成运放进行放大，再将该电压信号通过A/D转换器转换为数字信号，将数字信号送入AT89C51单片机，进行软件 滤波和误差处理，最后通过LCD输出显示测量电阻值

6、。2.1方案论证设计中主要采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。方案一：电桥测量方案采用电桥方法测量方法，其电压变化关系非线性，由于电路工作时，各个电阻产生热 量引起温度升高会引起电阻值的变化，这样所测数据不稳定，最后输出的结果不能达到我 们所要求的精度。图2.1测量电阻方案一框图方案二：恒流源测量方案见图2.2.将待测电阻两端通过一恒定电流，这样电阻两端的电压为电阻与电压的积， 电路中通过的电流较小，待测电阻的阻值也很小，电阻所产生的热量可忽略不计，这样消 除了温度对测量精确性的影响，将测量电压通过差分式放大电路，通过A/D转换电路转换为数字信号，送入单片机中进行处理，最后将测量结果显

7、示在LCD显示器上。图22 测量电阻方案二框图2.2方案比较由于方案一中测量精度不够，线性度也不好，消耗的功率相对较大。而方案二中，让待 测电阻通过一恒流源，能够产生一稳定的电压，并且线性惯性非常好，精度也能达到要求， 因此设计采用了方案二。第6页西华大学课程设计说明书3单元模块设计硬件部分主要分为检测模块和转换模块。最后将转换的数字信号送入单片机中进行处 理，最后显示输出在LCD显示器上。3.1电阻检测模块电阻检测模块首先要有一恒流源加在待测电阻两端，恒流源电路图如下:r-第7页西华大学课程设计说明书第#页西华大学课程设计说明书图3.1恒流源原理图上图中，恒流源产生的电流大小由，滑动电位器1

8、 REFVCC -VBE2 _VBE3 ' EEW2W2和加在两端的电源决定，即：（1）第#页西华大学课程设计说明书第#页西华大学课程设计说明书在（1）式中，Vcc ,Vee为电源电压，在测试仪中取 9V，Vbe2，Vbe3取理论值0.7V，令恒流源电流为0.16A，计算可得出 W2为103.75Q，由于没有此标称值的电阻，可用一 1K 的滑动电位器代替，调试时应该先从 1K往下调节，以避免通过电流过大，损坏元件。此部 分电路可产生一恒定电流，电流大小为0.16A。电阻检测模块还包括一个电压放大模块，此模块使用差动放大器。因为差动放大器具 有双端输入一单端输出，共模抑制比较高的特点，通

9、常用作传感器或测量仪器的前端放大 器。由于测量的是小电阻电压，属于检测微弱信号，采用差动放大器可获得较高的共模抑 制比，增强电路的抗干扰能力。电路原理图如下：图3.2 弱信号检测放大器原理图上图为弱信号检测放大器，J2为待测电阻的测量端口，该电路的放大增益为：Avd二亠W笙旦）色（2）v2 -Vwr5测试仪中取f = R5=100K,设计要求检测0.001 Q 1Q电阻，经过分析放大倍数为 30倍时能达到设计要求，且有较好的线性关系和非常小的误差。R3二& =12k，经计算W仁0.827k,取一个大小为10k的滑动电位器能满足要求。3.2测量信号转换模块测量信号转换模块将前级检测放大的

10、模拟电压转换为数字信号，最后送入AT89C51单片机处理显示。3.2.1测量信号转换模块原理电路原理图如下：第9页西华大学课程设计说明书图3.3 测量信号转换模块原理图测量信号转换模块，将放大后的模拟电压信号送入A/D转换器转换为数字信号，该模块使用的AD转换器为ICL7135,其输出信号可由该公式计算,即：输出数字量=AIN *10000（3）Vref在本次设计中，输出量由ICL7135的BUSY端口送入单片机，由于单片机的 ALE端口输出 信号为单片机在正常工作情晶振频率的六分之一，本系统中，使用12MHz，所以在此处为ALE输出频率2MHz。再通过两个Q触发器所构成的4分频模块，最后送入

11、ICL7135的CLK 管脚的时钟频率为500KHZ。配置好单片机的工作方式为外部信号输入计数模式后，单片机 所接收到BUSY端口送入的脉冲数为（3）式中的输出数字量加上10000个脉冲，其中的10000 个脉冲是由ICL7135正向积分所决定的。将接收到的脉冲数进行误差处理，使用拟合方法， 可以得到输入电压与脉冲的一个线性关系，经过软件算法的处理，最后通过LCD显示器输出显示出所测得的电阻值。3.2.2 ICL7135 介绍ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出土 20000个数字量,有STB选通控制 的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高（相当于14位

12、A/D转换），价格低的 第8页西华大学课程设计说明书优点.其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有：自校准（调零）,正向积分（被测模拟 电压积分）,反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个 脉冲，正向积分时间为10000个脉冲，反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉 冲）.故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量图3.5给出了 ICL7135时序,由图可见,当BUSY 变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停 止.ICL

13、7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图3.6所示,引脚功能及含义如下：与供电及电源相关的引脚（共7脚）.-V:ICL7135负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V;.+V:ICL7135正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V;.DGND数字地,ICL7135正,负电源的低电平基准；.REF:参考电压输入，REF的地为AGN引脚,典型值1V,输出数字量=10000X （VIN/VREF）;.AC:模拟地，典型应用中，与DGND数字地）"一点接地".INHI:模拟输入正；.INLO:模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与AC相连.W1SY图 3.4 ICL713

14、5 时序REFERENUE ANALOG COMMON iNT OUTAZINBUFF OUTREF CAP * REF CAP + IMLOIN HIV+ (MSD|05 (LSB) B182LINDE R RANGE OVERRAMGE STROBER/HDIGITAL GMDPOLCLOCK INBUSY图3.5 ICL7135芯片引脚图2e71（2）与控制和状态相关的引脚（共12脚）.CLKIN:时钟信号输入.当T=80ms时,fcp=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力，此时转 换速度为3次/s.极限值fcp=1MHz时，转换速度为25次/s.REFC+:外接参考电容正，典

15、型值1卩F.REFC-:外接参考电容负.BUFF0缓冲放大器输出端，典型外接积分电阻.INTO:积分器输出端，典型外接积分电容.AZIN:自校零端.LOW:欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的10%寸，该端输出高电平.HIGH:过量程信号输出端，当输入信号超过计数范围（20001）时，该端输出高电平.STOR:数据输出选通信号（负脉冲）,宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换结束时,该端 输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据（5位），该端用于将转换结果打到并行I/O 接口.R/H:自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时；每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转 换;当输入为低

16、电平时，转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲，才能启动下一次转换. .POL:极性信号输出,高电平表示极性为正.BUSY:忙信号输出，高电平有效.正向积分开始时自动变高，反向积分结束时自动变低. 与选通和数据输出相关的引脚（共9脚）' .B8B1:BCD码输出.B8为高位,对应BCD码;.D5:万位选通；第13页西华大学课程设计说明书第14页西华大学课程设计说明书.D4D1:千，百,十,个位选通.set VftEF = 1 vREF in WOKSIGNAL<INPUT0.1|iFANODE DFUVER TRANSESTCRSOV2忙LM MlOOkU 歹LANALOG

17、-trMD l L+ 5V©iCLOCK IN120kHz1ES图3.6 ICL7135典型应用图DISPLAY第#页西华大学课程设计说明书4软件设计软件设计采用C语言进行编程，调试软件使用KEIL C的Vision3开发环境和调试环境， 仿真使用Protues7的ISIS软件平台。1、主程序设计：当A/D转换器输出的数据送入单片机内部后，单片机就采集数据，将 数据采集到内部存储器的存储单元存储，将输入的脉冲数经过计算转换为对应的电阻值。 再将所测得的电阻值转换为 ASIIC码，输出显示在LCD显示器上。2、单片机从A/D转换器读取数据的程序设计：由于单片机是从ICL7135的BUS

18、Y端口读入脉冲数，程序初始化后将不断的从该端口读入脉冲数，为了减小由电路原因引起的误差， 此处应采用软件滤波方法，本设计中使用中值滤波法，连续采样9次以后，使用中间值作为此次采样的最终数据。3、码的变换程序：单片机所读入的数据时 A/D转换后的脉冲数，该脉冲数与输入电压 有一个线性的对应关系，应将该脉冲数转换为电压数据，再经过电压与电阻的线性对应关系，转换为测量的电阻值大小。4、显示程序：因为LCD1602接收的是ASIIC码,所以应将测量的电阻值大小转换为 ASIIC 码，直接送入LCD1602显示。程序整体设计框图如下：图4.1程序整体设计流程图5系统调试系统调试主要分为硬件调试和软件调试

19、。该部分调试，主要采用Proteus7的ISIS软件进行仿真。5.1硬件调试硬件部分，恒流源模块和弱信号放大模块的稳定性对本设计起着决定性作用，所以应将 调试重心放在这两个模块。5.1.1恒流源调试本测试仪中，系统依据待测电阻两端的电压来判断其电阻值的大小，所以该电压要非常的稳定。根据欧姆定律可知，电压等于电流与电阻之积。而测量电阻的电阻值可以认为是 一常量，所以测量的精度是否达到要求，主要在于恒流源的稳定性。本设计中，恒流源的电流为 0.16A，理论计算值 W2=103.75Q，将该理论值代入仿真软件中进行，仿真结果并不能达到设计要求，最后经过修改，定为101.1 Q,因为在硬件设计时，改电

20、阻使用的是一个1K的滑动变阻器，所以该模块能达到设计要求，在实际制作中， 三极管的Vbe不是恒定不变，受到电路中的电路和电源电压多种因素的影响，可改变滑动变 阻器的值来使恒流源的电流达到稳定值。在实际制作过程中，还应考虑三极管功耗的问题，因为改恒流源的电流为0.16A，三极管的功率不够的话，可能造成三极管的损坏，发热过高的话也会造成三极管的不稳定，所 以应选用功率高，散热效果好的三极管。5.1.2弱信号放大器调试该部分的放大单元使用了运算放大器，运算放大器在使用时应该进行调零， 也就是让两端输入型号都为0V时，输出信号要尽量的接近于0V。该部分的设计要求是，对电压检测的 小信号进行30倍放大，

21、理论计算值 W仁0.827K所以在设计时应选用10k的滑动变阻器， 即可达到设计要求，在调试该部分时，可以选用一个阻值为1Q的精密电阻进行调试，改变滑动变阻器的值，将输出电压控制在 4.8V，越接近说明精度越高，测量误差也就越小。该部分的电路仿真图如下:+9V-9VINI.V=-0.160009R12iC20.47u100kU3:B(OUT)V=48021R10Q12N4124Q22N4124图5.1硬件调试仿真图5.2软件调试首先，将AD采样值送入单片机，单片机经过处理，通过LCD输出显示。根据理论值计算，单片机接收的脉冲数应该是 AD转换数字量加上正向积分时间（10000个脉冲），根 据理

22、论输出的脉冲数与 AD转换的脉冲数有一定的误差，最后调试得出。单片机接收的脉 冲数减去10002个脉冲较为准确。考虑本测试仪的测试范围，假如测试电阻大于1Q,可能造成AD转换输出量的饱和现象，这样会造成较大的测量误差，所以应判断所测电阻是否满足量程，若不满足，应在LCD上输出提示操作人员，测量溢出。因为，本测量仪要求精度较高，测量信号较弱，应尽量避免环境因素的干扰，所以在数 据处理阶段应加入软件滤波模块，本设计中采用的是中值滤波，此滤波方法能有效的滤除 毛刺等干扰又能不失真的接收正确信号。在数据处理模块，由于所接收的脉冲数数值很大，而所测量的电阻数值较小，并且51单片机的C语言所表示的数据范围

23、有限。在程序处理时应避免使用浮点数运算。将处理算 法经过处理后，进行整数运算为佳。但是整数运算会造成小数部分的舍去，会对最终的测 量显示结果造成一定的误差。在处理算法上应对该误差进行补偿。最后，在LCD显示模块。由于，LCD1602接收的是ASIIC码，所以应将所测电阻的十 进制数据转换为ASIIC码，最后输出显示即可。软件调试模块的仿真图如下：第17页西华大学课程设计说明书第18页西华大学课程设计说明书R16(2)GND1丄1 C10C 0.1 _10 R161L_T却n 1-5kL-rfI C1PR18恤£jl r8re7CREBUF5AZC2R20L °业4INT3

24、ACO2REF9 INLO10INHIC9(-)(MSD)(LSD)MSBD5D4D3D2D1B8GNDGND(LSB) B1 U47447U1(INHI)I V=4.8LCD1LM016LGNDPOLOVRUNRV+ CLKIN22_1ICL71357 r+ 5VY1 AR2533kXTAL2U3P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0EAALERSTXTAL2XTAL1P3.5/T1P3.4/T0P3.3/INT1P3.2/INT0P3.1/TXDP3.0/RXDP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P

25、2.0/A8P0.7/AD7P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P0.0/AD02832P21P20R2610k98RP1RESPACK-8图5.2软件调试仿真图第#页西华大学课程设计说明书6系统功能和指标参数本文实现了 im1Q的电阻测量仪，该测试仪的测量精度高达土 0.1%。并且测量稳定 较好，测量模块简单，便于携带。下表为测量参数记录表：测量电阻（Q）输入电压（V）AD转换脉冲数（个）显示结果（Q）1.024.89619581Over flow!14.81919710.52.495947950.250.12

26、0.57622980.120.060.28811450.060.030.1445690.030.0150.0722810.0150.0070.03361280.0070.0030.0144510.0030.0010.0048120.001第19页西华大学课程设计说明书7总结随着各种高精度传感器的应用与普及， 这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着 越来越重要的作用7.1设计小结在本次设计中，我们完成本系统设计的要求及功能。 在设计开始前我们对各个模块进行 了详细的分析和设计准备工作，设计过程中，我们相互帮助，积极参与完成各个模块的功 能实现。本次设计主要完成了 1mQ1 Q电阻的测试，实现

27、了基本单片机的小电阻测量。7.2设计收获通过本次设计，多方的查阅资料，懂得了很多种小电阻的测量方法和普通电阻的测量方 法。例如，使用电桥，和提供一个恒定电压，使用继电器控制档位的。不过对于小电阻测 量，电桥测量和继电器控制都难以达到一个高精度的标准，必须采用一种稳定并且线性度 高的方法。在本次设计中，小组成员协调合作。对设计中的各个模块进行了详细的分析和讨论， 是本次设计成功的关键，这锻炼了我们小组合作，相互协调的团队协作能力。7.3设计改进由于本次课程设计时间有限和自身能力的欠缺。设计并没有做出实物来，这也是很遗憾的。并且我们的设计所测量的小电阻还不够小，这可以通过提高恒流源电流或者提高 放

28、大器的放大倍数来实现。提高恒流源电流以后，就增加恒流源模块的功耗，假如说本 测试仪使用的是电池供电的话，这样的使用时间有限。提高放大器的放大倍数以后，就 会缩小电阻的测量范围，这可以通过改进 AD转换器的位数来进行改进。不过，位数越高 的AD转换器，其成本就会相应的提高。综上所述，应采用一种量程转换的方法来达到设计的要求， 可在设计中加入数字电位 器，通过单片机控制放大器的放大倍数，选用一个 8位的AD转换器，通过改变量程的方 法，可以实现10山 lOk"测量范围。8参考文献1 万福君、潘松峰单片微机原理系统设计与应用（第二版）M.合肥：中国科学技术大学出版社,2001.2 周润景、

29、张丽娜.PROTEUSM门实用教程M.北京：清华大学出版社，2007.3 康光华.电子技术基础模拟部分（第五版） M.北京：高等教育出版社，2005.4 谢自美.电子线路设计？ 实验？测试（第三版）M.武汉：华中科技大学出版社， 2005. 张培仁基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用M.北京：清华大学出版社，2003.第21页西华大学课程设计说明书附录1 :电路总图第22页西华大学课程设计说明书第#页西华大学课程设计说明书II卜第23页西华大学课程设计说明书附录2 :软件代码#in elude <reg51.h>sbit E=P2A5;sbit RW=P2A6;sbit RS

30、=P2A7;char bcd="OOOOO Ohm"char overflow10="over flow!"un sig ned int ah,al;un sig ned char wan, qia n, bai,shi,ge;int k=0;typedef un sig ned char uchar;#defi ne B 1void Delay (un sig ned int t) / delay 40usun sig ned int i;for(;t!=O;t-)for(i=1OO;i!=O;i-);void sca nkey(void);void

31、Sen dComma ndByte( un sig ned char ch) RS=0;RW=0;P0=ch;E=1;Delay(1);E=0;Delay(5); /delay 40usvoid Sen dDataByte( un sig ned char ch) RS=1;RW=O;PO=ch;E=1;Delay(1);E=0;Delay(5); /delay 40usvoid In itLcd()Se ndComma ndByte(0x30);Sen dComma ndByte(0x30);Sen dComma ndByte(0x30);SendCommandByte(0x38); / 设置工作方式SendCommandByte(0x0c); / 显示状态设置SendCommandByte(0x01); / 清屏SendCommandByte(0x06); / 输入方式设置void DisplayMsg1(uchar *p)un