简易自动电阻测量仪报告.docx
《简易自动电阻测量仪报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易自动电阻测量仪报告.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ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2
§1．设计任务与要求3
1.1设计任务3
1.2技术指标3
1.3题目评析3
§2．系统方案3
2.1各种方案比较与选择3
2.2方案描述4
3理论分析与计算5
3.1电阻测量原理5
3.2自动换量程原理5
4电路设计与程序设计6
4.1电路设计6
4.1.1微恒流源电路6
4.1.2压控电流源电路7
4.1.3有源滤波电路8
4.1.4A/D采样电路8
4.2程序设计9
4.2.1程序总流程图9
4.2.2程序主要模块流程图10
5测试方案与测试结果12
5.1测试方案及测试条件12
5.1.1测试方案12
5.1.2测试仪器12
5.2测试结果12
6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16
§1．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100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ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）100Ω、1kΩ、10kΩ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；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0.5μA的电流用于测量MΩ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100Ω、1kΩ、10kΩ档的电阻测量。
（4）自动切换电路完成10MΩ和100Ω、1kΩ、10kΩ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100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ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为5V，但由于考虑集成电路的功耗，100Ω档设置满量程输入电压为2V，因而各档的恒流源值应为：
100Ω档：
20mA；
1kΩ档：
5mA；
10KΩ档：
0.5mA；
10MΩ档：
0.5μA；
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微恒流源电路
针对10MΩ档，本系统设计的电流为0.5μA，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1μA--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10MΩ档时，其它档位关闭，因为电流很小只有0.5μA，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0.5μA不会流失，使10MΩ档更加稳定，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，MΩ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100Ω、1kΩ、10kΩ档的测量，本系统通过压控电流来产生20mA、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。
4.1.4A/D采样电路
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Ω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STARES59PA
（5）仿真器Star51PH
5.2测试结果
基本部分测试结果如下表5.2
被测阻值
6.31Ω
24.2Ω
39.0Ω
52.1Ω
68.2Ω
99.5Ω
实测阻值
5.9Ω
23.7Ω
38.3Ω
51.3ΩΩ
67.2Ω
98.5Ω
误差
0.4Ω
0.5Ω
0.7Ω
0.8Ω
1Ω
1Ω
被测阻值
109Ω
303Ω
389Ω
439Ω
747Ω
896Ω
实测阻值
106Ω
294Ω
380Ω
430Ω
750Ω
900Ω
误差
3Ω
9Ω
9Ω
9Ω
3Ω
4Ω
被测阻值
1.53KΩ
2.41KΩ
3.91KΩ
5.22KΩ
9.01KΩ
98KΩ
实测阻值
1.49KΩ
2.48KΩ
3.88KΩ
5.25KΩ
9.02KΩ
0.09MΩ
误差
0.04KΩ
0.07KΩ
0.03KΩ
0.03KΩ
0.01KΩ
8KΩ
被测阻值
120KΩ
514KΩ
1.21MΩ
6.97MΩ
7.88MΩ
8.72MΩ
实测阻值
0.11MΩ
0.49MΩ
1.18MΩ
7.04MΩ
7.87MΩ
升级会员 