基于单片机版数字式毫欧表的设计毕业设计.docx

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基于单片机版数字式毫欧表的设计毕业设计

大学生实践技能培训

题目：

基于单片机版数字式毫欧表的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

随着科技的日益进步与发展，生活与工业制造中对精度的要求越来越高，尤其一些重要的电器产业，对器件的精度要求很高，电气化时代的到来伴随着一些电气工具的革新，数字式万用表是最常用的工具之一，它是采用“比例法”测电阻的方法实现电阻的测量，虽然精度较之以前有了很大的提高，但是在一些高精尖产业中还是有些欠缺，并不能胜任。

本次设计是基于单片机的数字式毫欧表，比普遍使用的数字万用表最大的区别在于它的精度更高，可以胜任毫欧级电阻的测量，它采用“伏安法”测电阻的方法，利用按键手动调节毫欧表的量程，使用两个运算放大器LM358和三极管TIP41搭建的恒流源电路提供恒定的毫欧级电流输出，可以利用数模转换芯片TLC5615实现电压控制输出恒定的电流，测量时可选三个档位电流的输出分别是1mA、10mA、100mA，对应电阻的量程分别是40.00Ω、4.000Ω、0.400Ω。

由于测量电压信号较小，采用OP07运算放大器搭建放大电路放大一百倍后再经过模数转换芯片TLC1549转化为数字信号后传入单片机AT89C52中进行数据运算与处理，计算得到电阻值由液晶LCD1602显示出来，全电路利用LM7805设计稳压电路提供正5V稳定电源电压，ICL7660小功率极性反转电源转化器给LM358和OP07提供负电压构成电源模块。

关键词：

毫欧表；恒流源；运算放大器；ADC模数转化；液晶显示

［关键词与摘要内容隔行书写，词条用小四号宋体字，词条间用分号（；）隔开，3-5个关键词］

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第一章绪　　论

1.1课题背景、目的及意义

数字式毫欧表是由万用表慢慢发展而来的，也是对于数字万用表不能达到的精度做以补充的实用工具，这是一个随着科技的进步和工业的发展而得到的产物，由于它是采用“比例法”测量电阻，这已经在很大程度上相对于之前的万用表测量精度提高了一截，但是由于普通的数字万用表最小测量电阻的的能力仅为0.1

，在测量电动机绕阻、变压器线圈电阻、扬声器音圈电阻、印刷短路铜箔的电阻等毫欧级低电阻值的地方还是力有所逮，误差相对来说太大，在测量小电阻值电阻时精度不足。

数字毫欧表是以单片机为处理核心设计，用来测量毫欧级低电阻值的高精度精密测量仪器仪表，它主要应用于继电器接触电阻、各种微动开关接触电阻、按钮开关开关、波段开关接触电阻、一些小的连接件接触电阻、飞机等交通工具上的金属铆接电阻、电线导体电阻和电缆导体电阻等等微型电阻的测量，这种高精度仪表适用于工矿、质检、电气维护、航天航空、高校实验室等各种有高精度需求的高精尖领域。

数字式毫欧表行业在新世纪之初开始蓬勃的发展，在我国大概于2003年开始兴起，由于工业发展对它的需求很高，经过2004年和2005年的迅速发展以后，到了2006年以后这个行业开始趋于成熟，应用的领域也在不断地扩展，由于它的应用领域的特殊性，这是一个有很大发展空间的行业，而且它未来的发展空间将会更大。

课题研究现状及发展趋势

我国的电工仪器仪表行业可以说是在电子比较成功的一个领域了，因为它是为数不多的而不需要大量进口的一个行业，相反还有不俗的出口量，相对于芯片制造和集成电路方面这是一个非常好的现象，国内的相关企业对于这个行业重视也逐步提高，政府部门对于该行业的监管和质量的把关比较到位，对于新产品开发的重视也让这些企业从中获得很大收益，生产体系的建立与成熟，让生产更规模化、企业化，科技水平的提高使生产质量也得到了国际市场的认同。

当然也是这个产业的技术要求并不是很高，按照我国现在的科技水平可以很好的满足这个行业国际要求的标准，生产出满足大多数应用领域所需的精度要求，而国内充足的劳动力资源是别的国家所不具备的一大优势，这样我们手握价格优势，再加上随着科技的发展，这个行业的发展空间空前的广阔。

从毫欧表市场来看，目前我国的电子测试表行业发展日渐成熟，一些基础的中低档的电工仪器仪表常就不必细说了，单从一些高端的精密度更高的数字表来说，在2010年以后在国内的市场占有率就已经很高了，达到了80%以上，就目前的发展状况来说，未来几年内，我国的电工仪器仪表行业将飞速的发展。

1.1课题工作目标

本课题以单片机微控制器为处理核心，利用硬件和软件相结合的设计方法来设计一个基于单片机的数字式毫欧表，其测量范围在0.1mΩ-40.00Ω之间，设计人机接口电路来控制量程的选择；设计显示电路利用LCD1602来显示测量的结果；利用软件实现数据的传送与处理运算；完成以下的工作内容：

1、设计完成并调试单片机最小系统模块作为中央处理器、LCD1602液晶显示模块来显示被测电阻阻值、电压放大模块将测得的毫伏级小电压数据放大到可以被A/D芯片识别的电压值、A/D转化模块实现电压值得模数转化传送给单片机处理、D/A转化模块将单片机控制的数字量进行数模转化来控制D/A芯片、按键控制模块来控制恒定电流实现电阻量程的切换，以及压控恒流源电路来给被测电阻提供稳定的恒定电流；

2、学习使用常用的Multisim、AltiumDesigner、Proteus等软件绘制原理图，仿真并制作PCB板；

3、制作完成PCB板，完成各个模块的焊接与调试，实现恒定电流的输出和电阻的测量；

编写并调试C语言代码使系统具备毫欧级小电阻的测量功能，并能够在液晶上显示被测电阻的阻值，通过按键控制1mA、10mA、100mA恒定电流的输出，分别测量量程为400.0mΩ、4.000Ω、40.00Ω的电阻，允许测量误差在5%以内。

1.2工作方案

整个系统是由单片机来控制，利用伏安法测电阻的方法，由欧姆定律：

（1-1）

测量得到被测电阻两测得电压和通被测电阻的电流值来计算阻值，为了测量和数据处理方便起见该方案选择控制电流恒定，则只需测量被测电阻两测得电压即可通过单片机计算处理数据得到电阻值，具体方案如下：

1、设计恒流源模块提供恒定电流；

2、设计电压放大模块来放大被测电阻两端电压；

3、设计A/D转化模块实现电压数据的传输与处理；

4、设计单片机最小系统模块控制整体电路；

5、设计D/A转化模块来实现电阻量程的变换；

6、设计液晶显示模块用于显示测量电阻值；

7、设计按键控制模块用于手动选择毫欧表测量量程；

8、编写C语言代码来控制单片机完成数据的采集与处理。

图1-1即是整体方案框架图：

图1-1设计总框图

1.3论文结构

该论文主要分为以下几个部分：

主要包括论文提名、论文摘要、论述关键词、论文目录、论文的正文部分、论文设计的总结结论、论文主要用到的参考文献、致谢和附录部分。

主要介绍一下论文的正文部分；正文部分包括绪论、论文主体。

绪论部分已经基本完成，而论文主体的内容将包括下面介绍的几大方面，论文正文部分具体结构的安排如下：

第1章，绪论。

主要是详细的介绍该课题基于单片机的数字式毫欧表的选题背景、目的和意义，数字式毫欧表的国内外研究状况和单片机等相关领域的发展趋势以及已经取得的一些突破性的研究成果，对基于单片机的数字式毫欧表的一些研究设想，分析该课题的研究方法和做一些相关实验设计，对该课题的研究结果和推广意义做一个设想和预期，对课题的总体方案做一个初步的设计等。

第2章，基于单片机的数字式毫欧表系统的基本原理的介绍。

对于该课题的总体方案做一个较为完整的论述与分析，通过论述或者数据计算分析确定该方案的可行性，通过查阅相关资料详细的分析系统中各个模块的基本原理，设计理念。

第3章，基于单片机的数字式毫欧表系统的硬件设计。

对设计中的具体模块方案的可行性和有效性通过数据或者仿真等效果做一些详细的介绍分析和论述。

对系统每个模块进行详细讨论，对每个模块所用元件或者芯片的原理和电路设计的思路以及方法都做一个详细阐述。

第4章，基于单片机的数字式毫欧表系统的软件设计。

细致的分析说明整个单片机毫欧表系统软件代码的设计思路，详细的介绍整个系统的主程序流程图和各个模块的子程序流程图。

第5章,基于单片机的数字式毫欧表系统的测试与分析。

完成设计的硬件各个模块功能的调试，测试该设计的软件部分，最终完成软件与硬件的联合调试，对整个系统的测试与调试过程做一个记录并对调试和测试测量结果做一个系统的分析，总结在制作该课题过程中所遇到的问题，分析这些问题的原因并对解决这些问题的解决方案做一个讨论与解析。

第2章单片机数字毫欧表系统的基本原理

2.1总体方案选择

毫欧表是用来测量电阻的一种工具，现在已经有好几种方法可以实现电阻的测量，例如比较法、替代法、伏安法等等。

这样就需要从这些测量电阻的方法中选择出最有效最准确和最好用的方法来实现本设计要求的毫欧级电阻的测量，下面我就几种常见的测量电阻的方法做一个介绍与对比[1]。

方案一、比较法测电阻

图2-1比较法测量电阻原理图

比较法测量电阻是最常用的的一种测量电阻的方法，原理比较简单而且测量计算都比较方便，它的前提是保证电阻Rx和R0两端的总电压值不变，如上图2-1中所示，只需一个已知阻值的电阻R0和一个电压表就可以通过测量计算得到未知电阻Rx的阻值：

1、开关K2断开，闭合开关K1，得到未知电阻Rx两端电压U1；

2、将开关K1断开，然后再闭合开关K2，用电压表测得Rx与R0两端的总电压U2。

由于Rx、R0两端的总电压保持不变，就会有：

（2-1）

得到：

（2-2）

比较法测量电阻的前提是在两个串联电阻两端的总电压保持不变，这就需要一个很稳定的电源提供一个恒定的电压给两个电阻，而设计中要测量毫欧级电阻的阻值，电压的微小变化都可能引起测量结果的很大变化，所以在实际测量中这很难满足，设计要求可以测毫欧级电阻，这样一来电阻的阻值R0就很难选定，两次测量电压的过程难免会带入较大的误差，所以这个方案并不能很好的达到设计要求。

方案二、替代法测电阻

图2-2替代法测电阻原理图

如上图2-2是利用替代法测电阻的原理图，图中R0是电阻箱、K2是单刀双掷开关，Rx是被测电阻：

1、打开开关K1，调节滑动变阻器Rw和电阻箱R0到最大；

2、将开关K2接到未知电阻Rx端，闭合K1，调节滑动变阻器Rw使电流表与电压表在表头中心，记录读数；

3、拨动开关K2使其与电阻箱R0相接，然后调节电阻箱读数，使电压表和电流表的读数与前面记录的读数相同，记录电阻箱的读数，此时的电阻箱读数即为被测电阻Rx的阻值。

替代法测电阻即是保证电流或者电压不变，利用调节电阻箱阻值来代替被测电阻的大小，但是它的可操作性不高，和设计要求制作数字式毫欧表相去甚远，而且电阻箱的阻值一般都比较大，很少有毫欧级的电阻，这样测量误差就不可避免的非常大，这种方法也不可取。

方案三、伏安法测电阻

图2-3伏安法测电阻原理图

伏安法测电阻是最简单最常用的一种方法，它是利用欧姆定理:

来实现电阻的测量，通过测量得到被测电阻两端的电压和电流来计算得到被测电阻的阻值，这样更适合单片机处理数据。

这个方案的精度比方案一和方案二都要高，可操作性更强，设计简单方便容易实现，所以最终决定采用这个方案来实现该设计。

2.2恒流源方案选择

伏安法测电阻需要知道被测电阻的电压与电流，为了方便起见可以选择保证恒定电压或者恒定电流，恒压源是很好实现的，但是由于单片机不能识别电流，还需要一个流压转换芯片，但是流压转化芯片的转化范围一般都比较小，很难满足设计要求的0.1mΩ—40Ω的测量范围，不能达到设计要求，所以设计恒流源电路来实现电流恒定，利用单片机测量电压计算电阻值。

下面介绍几种恒流源方案：

方案一、

图2-4恒流源方案一原理图

这是想到的最简单的恒流源方案，方案中要求R1>>Rx，当它成立的时候那么就可以将通过被测电阻Rx的电流看做一个恒定的电流，

，当R1>>Rx时，可以看做

这样保持R1不变，那么该图就是个恒流源，但是当Rx越大时误差会随着变大，精度完全达不到设计要求，所以这个方案不可取。

方案二、

图2-5简单的三极管恒流源电路

简单的恒流二极管与恒流三极管，这是第一反应应该想到的一种方案，恒流二极管用的比较少，因为它的恒流特性并不是很好，而且它的电流规格比较少，再者就是价格比较贵，所以最开始就否定了恒流二极管的选择。

简易恒流源电路是用两只同型三极管来搭建，利用三极管相对比较稳定的be电压作为基准电压，这种恒流源优点是设计简单易行，而且恒定电流的数值可以自由的控制，也没有用到特殊的元件，产品的成本相对较低。

缺点就是不同型号的管子的be电压并不是一个固定的值，即使是相同型号的三极管，也有一些个体差异。

同时在不同的工作电流下，这个be电压也会有一定的浮动。

因此它不适合用于精密的恒流需求，还有一个非常重要的不足就是三极管恒流源电路的输出电流太小了，一般只有十几毫安的恒定电流输出，这和设计要求的100mA的电流输出相差太大，所以这个方案显然也不合适。

方案三、

图2-6压控恒流源原理图

压控恒流源方案就是基准电阻不做改变而只改变恒流源的外围电压大小，外围的输入电压就是加在基准电阻两端的电压，这样基准电阻不变，只需要改变外围电压的大小就可以控制需要输出的电流的大小。

电压控制电路是采用数控的方式，以单片机微控制器为处理核心利用单片机送出电压的数字量，再经过数模转化芯片经过D/A转换转变成模拟电压信号，将电压加在基准电阻两端产生恒定电流，再将该电流送到运算放大器中和大功率三极管中进行输出电流的扩充。

这个方案实质上是通过单片机为核心的软件控制的方法实现恒定的输出电流，可以得到精度比较高的恒定电流的输出，方案可以满足设计要求的功能的实现，而且便于操作，只需要运算放大器、三极管和模数转化芯片就能实现，成本在可以接受的范围内，故选择此方案[2]。

2.3总体方案确定

确定了总方案原理是利用伏安法测电阻，给被测电阻通过恒定不变的电流，测量电阻的电压。

因为电阻值是毫欧级的，如果再通以毫安级的电流，那么得到的电压值将会很小应该是毫伏级的电压，这样难以被ADC芯片识别出来。

在这里可以使用放大电压信号的方法，这样由ADC芯片识别放大后的电压信号并通过单片机计算得到电阻值。

这里恒流源提供的电流必须是毫安级的小电流，因为毫欧表测量对象是阻值比较小的电阻，该设计中最大测量范围是40Ω，这样如果电流太大的话小电阻无法承受，而且如果电流过大的话，就会产生热量过多，温度也是影响电阻值得一个重要因素，这样会给电阻的测量带来较大的误差。

这里只能选择小电流而放大电压信号，小的电压信号经过放大以后在通过AD芯片转换成数字信号来计算，由微控制器单片机来计算并显示电阻.值，具体的方案设计框图见图1-1，图2-1是根据设计要求的毫欧表量程设计的一个电流电压电阻的对照表：

表2-1设计中毫欧表测量范围及输入输出电压及电流情况表

测量量程

输出电流

输入电压

输出电压

放大电压

400.0mΩ

100.0mA

4000mV

40.00mV

4.000V

4000mΩ

10.00mA

400.0mV

40.00mV

4.000V

40.00Ω

1.000mA

40.00mV

40.00mV

4.000V

2.4本章小结

本章主要是对该设计的设计思路做了一个总结，对比较法、替代法等几种常用的测量电阻的方法做了系统的分析与对比，从中选择了伏安法测电阻的方案，对该方案的可行性做了个详细的分析，确定该方案的可行性，介绍了伏安法测电阻是需要注意的恒流源的设计，对伏安法测电阻需要用到的恒流源模块进行了仔细分析，从几种恒流源设计方案中选择了压控恒流源的发难，论述了恒流源方案的选择和运用理论计算阐述了压控恒流源的原理，最后介绍了单片机毫欧表的总体设计方案的思路，对该方案中的几个模块做了简单的介绍。

第3章单片机毫欧表系统硬件设计

3.1单片机数字毫欧表系统硬件组成

基于单片机的数字式毫欧表系统的硬件组成系统主要包括：

单片机模块、压控恒流源模块、A/D模拟数字转换模块、D/A数字模拟转化模块、电压差分放大模块、液晶显示模块、按键控制模块、和电源模块。

3.2单片机最小系统模块

在该设计中我把液晶显示和键盘控制两个小模块也加入到了单片机最小系统模块，主要是因为它们相对来说比较简单，也是和单片机关系比较紧密，在一般的电子电工设计中都会用到，所以该设计的单片机最小系统组成包括时钟电路、复位电路、液晶显示电路和按键控制电路，如图3-1所示：

图3-1单片机最小系统模块框图

图3-2是该设计中的单片机最小系统的原理图，利用包括复位电路、时钟电路、液晶显示电路和按键控制电路以及这些