1、简易自动电阻测量仪报告2011年全国大学生电子设计竞赛简易自动电阻测试仪设计与总结报告组别：高职高专题号：G完成日期：2011年9月3日简易自动电阻测试仪设计与总结报告摘 要本设计完成了一种通过检测电压测量电阻的恒流源式简单自动电阻测量仪。它以单片STC89C52为核心，通过恒流源模块、A/D转换模块和显示模块电阻实现了电阻在大范围内测量，并且能在测量量程为 100、1k、10k、10M四档中自由切换，测量精度高，并且具有电阻筛选功能、自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化的曲线。在恒流源设计部分采用微恒流源和压控电流源，通过4051电子开关的程控实现了各档位的自由切换，此部分性能优越，稳定性
2、较高。整机系统均达到设计要求的指标。关键词：恒流源，程控控制，A/D转换目 录摘 要 1目 录 21设计任务与要求 31.1 设计任务 31.2 技术指标 31.3 题目评析 32系统方案 32.1 各种方案比较与选择 32.2 方案描述 43理论分析与计算 53.1电阻测量原理 53.2自动换量程原理 54 电路设计与程序设计 64.1电路设计 64.1.1微恒流源电路 64.1.2压控电流源电路 74.1.3有源滤波电路 84.1.4 A/D采样电路 84.2程序设计 94.2.1程序总流程图 94.2.2程序主要模块流程图 105测试方案与测试结果 125.1测试方案及测试条件 125.
3、1.1测试方案 125.1.2测试仪器 125.2测试结果 126结论 13参考文献 14附 录 15附录1 元器件清单 15附录2 总设计思想图 161设计任务与要求1.1 设计任务 设计并制作一台简易自动电阻测试仪。1.2 技术指标 基本要求 （1）测量量程为 100、1k、10k、10M四档。测量准确度为（1%读数2 字）。 （2）3 位数字显示（最大显示数必须为 999），能自动显示小数点和单位,测量速率大于 5 次/秒。 （3）100、1k、10k三档量程具有自动量程转换功能。 发挥部分 （1）具有自动电阻筛选功能。即在进行电阻筛选测量时，用户通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值；
4、测量时，仪器能在显示被测电阻阻值的同时，给出该电阻是否符合筛选要求的指示。（2）设计并制作一个能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线的辅助装置，要求曲线各点的测量准确度为（5%读数2 字）,全程测量时间不大于 10 秒,测量点不少于 15 点。辅助装置连接的示意图如图 1 所示。图1 辅助装置连接示意图（3）其他。1.3 题目评析本设计要求设计一个简易的自动电阻测试仪，所以可以用电量或电参量与电阻阻值的关系去设计各种电路。其中，伏安法测量电阻值是比较合适，也是比较简单易懂的方法，这样可以通过用电压值或电流值换算电阻值，单片机可以通过A/D检测到这些电压或电流，再根据它们与电阻的关系式换算
5、出电阻值。2系统方案 2.1 各种方案比较与选择 方案一：输入恒压源来检测电阻阻值本方案在检测电阻时通过在被测电阻两端加入恒定电压来检测流过被测电阻的电流，通过A/D转换把电流量转换成电压，单片机读取电压值以后根据电阻与电压、电流的关系计算出电阻值，在通过LCD液晶显示器显示出电阻值。 方案二：输入恒流源来检测电阻阻值本方案在检测电阻时通过给被测电阻产生固定电流来检测被测电阻两端的电压，通过A/D转换器转换成电压值，单片机读取检测到的电压值以后根据电阻与电压、电流的关系计算出电阻值，通过LCD液晶显示器显示出电阻值。方案三：用恒流源来检测电阻且经过放大后送入A/D采样本方案与方案二相似，区别在
6、于在信号处理上加入了信号放大功能，将放大后的信号送给A/D采样电路进行采样，送给单片机进行数据处理。方案一：当检测阻值较大的电阻时，由于恒压源的电压值限制和电压的受干扰性使得检测到的电流值比较小或有较大的误差，影响数据的准确度。方案二：当检测电阻时，可以输入不同的电流值来提高电压值，避免了检测值小带来的读数误差，而且电路抗干扰的能力较强。方案三：对信号进行放大处理后容易将误差也放大，影响数据的准确度，且需加放大电路，加大焊接量和电路负担。综上考虑，我们选择方案二。2.2 方案描述简单自动电阻测量仪系统总原理图如图2所示。本设计由电源模块，恒流源模块，A/D采样电路，单片机控制显示等部分组成。各
7、部分功能如下：（1）电源模块产生+12V，+5V，-5V电源供给各个单元电路使用。（2）微恒流电流部分源产生0.5A的电流用于测量M档电阻的测量。（3）压控恒流源在单片机的控制下产生20mA，5mA，0.5mA的恒定电流分别用于100、1k、10k档的电阻测量。（4）自动切换电路完成10M和100、1k、10k之间的电流源的自动切换。（5）有源滤波电路对被测电阻的输出电压信号进行二阶滤波，消除高频干扰，保证送到A/D采样电路的信号质量，提高系统测量的精确度。（6）A/D采样电路采用12位高精度转换芯片将电压信号转换成数字信号，送给单片机处理。（7）单片机对被测电阻的电压数据进行处理，根据电阻阻
8、值产生产生控制信号控制电流源的选择，达到自动量程切换。同时，完成LCD显示等其他辅助功能。3理论分析与计算3.1电阻测量原理本系统利用恒流源输入一个已知的电流，再利用A/D转换取电阻两端的电压送入单片机进行计算和处理。该电压是电阻的阻值与电流的乘积。电流是已知的，且电阻两端的电压被检测出来，通过计算就可以求得被测电阻的阻值。 根据题目要求，测量量程为 100、1k、10k、10M四档，即四个量程。因为单片机最大识别电压不大于5V。为了满足单片机和四个量程的需求，需要向系统中输入四个不同的电流，又为了能充分利用12位的A/D输入的有效精度，按照A/D转化器最大模拟输入要求，每个满量程输入电压应设
9、为5V，但由于考虑集成电路的功耗，100档设置满量程输入电压为2V，因而各档的恒流源值应为：100档：20 mA；1k档：5mA；10K档：0.5mA；10M档：0.5A；3.2自动换量程原理自动量程转换由初设量程开始，逐级比较，直至选出最合适的量程为止。自动量程转换的操作流程如上图3所示，针对量程的自动切换，在本系统中将被测电阻的电压通过A/D转换输入单片机，由单片机中的初设量程开始，开始比较，如果不符合该量程，则单片机通过控制程控芯片4051，在电路中输出一个较小的电流，自动切换到高量程中。4 电路设计与程序设计4.1电路设计根据题目要求，电阻测量仪各部分的电路设计如下。4.1.1微恒流源
10、电路针对10M档，本系统设计的电流为0.5A，这是一个很小的电流，为了实现它，设计了微恒流源，在这里采用的是三端可调集成恒流源LM334，该产品输出电流调节范围在1A-10mA，范围比较小，而且电流稳定性高，微恒流源的实现原理如图4所示根据结点电流定律，可得I0=I1-I2 图4 实现原理所以根据以上原理，可设计出如下图图5所示的微恒流源图5 微恒流源当量程在10M档时，其它档位关闭，因为电流很小只有0.5A，为了防止它流失，在压控恒流源电路那里加IN4148, 因为IN4148漏电流很小在nA级，这时在压控恒流源那里加负电压，使IN4148正向端加一负电压，保证 0.5A不会流失，使10M档
11、更加稳定，测量更精确。在此设计思想中该支路会一直导通，并且电流会一直流过被测电阻，但相对于其它三个量程中，所用电流最小的为0.5mA，为它的千分之一，即使把它加进来计算影响也不会很大，但为了使系统更加精确，在软件调节中，减去了这个值，并且此恒流源抗电阻干扰的能力很强，M级的电阻对其恒流源的值没有太大的影响，这使得本系统的精确度大大提高。4.1.2压控电流源电路 针对于100、1k、10k档的测量，本系统通过压控电流来产生20 mA、5mA、0.5mA原理图如下图6所示，根据分析可得到 所以压控恒流源产生的电流，可由单片机根据所需量程去控制4051选择相应的输入电压，经过U-I转换电路以后得到相
12、应的恒流源。当单片机选择产生20mA的恒流源时，单片机给4051的BA端送入10段码将1V电压送给U-I转换电路转换出20mA的恒流源，当单片机选择产生5mA的恒流源时，单片机给4051的BA端送入01段码将0.25V的电压送给U-I转换电路转换出5mA的恒流源，当单片机选择产生0.5mA的恒流源时，单片机给4051的BA端送入00段码将0.025V的电压送给U-I转换电路转换出0.5mA的恒流源。图6 压控电流源4.1.3有源滤波电路有源滤波电路如下图图7。本电路对被测电阻的输出电压信号进行二阶滤波，消除高频干扰，保证送到A/D采样电路的信号质量。使系统的精确度更高。4.1.4 A/D采样电
13、路A/D采样电路如图8。本电路采用12位高精度ADS7816转换芯片将电压信号转换成数字信号，送给单片机采集处理。4.2程序设计4.2.1程序总流程图4.2.2程序主要模块流程图5测试方案与测试结果5.1测试方案及测试条件5.1.1测试方案基本要求部分：通过万用表先检测被测电阻的阻值，记录下电阻值，然后接入电路中已经设定好的测试点，读取LCD液晶显示屏上显示的被测电阻阻值。发挥部分：提示部分系统预先设定一个电阻值和误差范围，当被测电阻值与被测电阻的误差在设定的误差范围内时单片机发出控制蜂鸣器发出响声并显示符号“Y”表示测得电阻值符合预设值要求。辅助曲线显示部分，单片机控制步进电机按某一方向和某
14、一角度旋转15下，通过单片机记录下旋转中的15角度对应的电阻值，通过LCD的描点方式描出曲线显示图。5.1.2测试仪器 （1） 电子万用表 MS8040 精度：电压档mv 档, 电阻档 档，电容档pf档；（2） 模拟示波器 GOS-620 精度：周期uS档，幅度mV档；（3） 直流稳压电源 XJ-1731L3A 精度：电流A档；电压V档；（4） 单片机综合试验仪 STAR ES59PA（5） 仿真器 Star51PH5.2测试结果基本部分测试结果如下表5.2被测阻值6.3124.239.052.168.299.5实测阻值5.923.738.351.367.298.5误差0.40.50.70.8
15、11被测阻值109303389439747896实测阻值106294380430750900误差399934被测阻值1.53K2.41K3.91K5.22K9.01K98K实测阻值1.49K2.48K3.88K5.25K9.02K0.09M误差0.04K0.07K0.03K0.03K0.01K8K被测阻值120K514K1.21M6.97M7.88M8.72M实测阻值0.11M0.49M1.18M7.04M7.87M8.75M误差10K50K30K70K10K30K如上表可知测试结果基本符合要求，数据都在误差允许范围内，个别阻值会出现读数误差，但都比较接近实际测量的阻值，证明基础部分实验已经达
16、到题目要求的指标。发挥部分：当显示的被测电阻阻值达到预设值或者在设定的误差范围内时，单片机控制蜂鸣器发出响声，并在LCD上显示Y字样以表示被测阻值符合预设阻值的要求。实验证明此发挥部分已经达到题目要求。当被测电阻用4.7K的电位器来提供时，单片机控制步进电机沿着某一方向旋转15下，测得旋转过程中的15个电阻值，送给单片机在LCD上描点显示，实验结果为LCD液晶显示器上能够显示不同的阻值随时间而变化的曲线波形。6结论 本设计基于伏安法测电阻的原理，当流过电阻的电流恒定时，通过检测被测电阻两端的电压值经过欧姆定律计算出被测的电阻值。在设计中按照实验要求设计了四个电阻档位，题目中只要求100，1K，
17、10K三个档位自动切换，设计中已经实现了四个档位的自动切换并能够通过预设值与实测值的比较显示出预设值与实测值的关系，若与预设值基本符合，单片机控制蜂鸣器发出响声并在LCD液晶显示上显示出符号“Y”表示被测值与预设值符合，否则蜂鸣器不发出响声并显示符号“N”表示不符合预设值。实验过程采样次数满足实验要求，检测出的电阻值在误差范围内符合实测值。多项指标的达标证明本实验设计已经达到设计要求，设计成功。参考文献 1. 尉广军;朱宇虹 几种恒流源电路的设计 2. 刘印菁 高稳定度直流恒流源设计3 童诗白，华成英.第三版.模拟电子技术基础.北京高等教育出社，2006.4 康华光，陈大钦. 第四版.电子技术
18、基础.北京高等教育出版，2005.5 黄继昌，张海贵，郭继忠.实用单元电路及其应用.人民邮电出社，2002.6 宋贤法 韩晶 路秀丽, Altium Designer Summer 08电路设计实例指导教程. 20087 徐江高速高精度数据采集技术研究D成都：电子科技大学，2003.06附 录附录1 元器件清单 元器件清单序号类 型参 数数量备 注1电阻10K100K1001K8312电位器100K50K10K3213电容0.1uf54稳压管LM336-2.5LM336-5115电解电容1000F/35V470F/35V100F/25V1000F/16V470F/25V10F/25V1121126芯片OP07TL062CD4051STC89C52ADS78162003LM33431111127三端稳压器7812780579051118LCD显示器160219单片机最小系统110插针311电源插座四脚电源三脚电源两脚电源122附录2 总设计思想图
