大学生电子设计大赛电阻测试仪.docx
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大学生电子设计大赛电阻测试仪
目录
第一章系统方案……………......................................................................1
1.1各种方案比较..........................................................................................................1
1.2系统的描述………………………………………………………………………..1
第二章理论分析与计算.................................................................2
2.1电阻测量原理……………………………………………………………………..2
2.2自动量程转换与筛选……………………………………………………………..2
2.3电位器阻值变化曲线……………………………………………………………..3
第三章电路设计….........................................................................3
3.1系统总体设计.........................................................................................................3
3.2单元电路设计..........................................................................................................3
第四章程序设计.............................................................................6
4.1程序总体流程图......................................................................................................6
4.2各功能模块流程图………………………………………………………………..7
第五章系统测试.............................................................................8
5.1测试方案及条件………………………………………………………..................8
5.2测试结果及分析…………………………………………………………………..8
总结…………………………………………………………………10
参考文献............................................................................................10
第一章系统方案
1.1各种方案比较
（1）电阻测量方法的选择
方案一：
采用555电路和RC振荡回路，通过测量振荡频率来计算相应的电阻值，该方案的优点是精度较高，测量范围大，但是电路较为复杂。
方案二：
电桥法测电阻。
该方法待测电阻的值可以通过联立方程求解。
电桥法测电阻精度高，但电桥的平衡判别难用简单电路实现，并且电桥法不易实现自动测量。
方案三:
使用电压源分压的方法，测量已知电阻和待测电阻分得的电压，通过A/D转换，得到相应的电阻值。
该方案电路简单，误差较小、而且控制简单成本较低。
本次设计采用该方案。
（2）控制器的选择
方案一：
采用89C51单片机，技术成熟、调试方便、价格便宜。
但由于系统用到4路A/D、显示及按键等部分，需要设计复杂的外围电路，另外此单片机运行速度较慢，I/O端口较少，增加了设计和制作的难度，不利于程序的编写和系统执行；
方案二：
采用C8051F120单片机，该单片机是集成混合信号系统级MCU芯片，片内资源较丰富，I/O较多，执行速度较快（可达100MHz）。
本系统用到内部集成的8通道模拟电路12位ADC，从而简化了外部电路的设计，故采用该方案。
（3）档位选择开关的选择
方案一：
在档位选择开关全部使用电子开关时，由于电子开关内阻较大，通常为兆欧级，对于兆欧级电阻的测量，将大大增加电路的测量误差；
方案二：
在档位选择开关全部使用继电器时，内阻较小，但将降低电路的运行速度；
方案三：
如果在档位选择开关中用手动控制，将无法实现题目所需的全自动化功能的基本要求；
综合而言，选择在兆欧档使用继电器，在其他档位使用电子开关，实现全自动化电阻测试，从而达到了题目的要求。
1.2系统的描述
图1.1自动电阻测试仪系统框图
该自动电阻测试仪以C8051F120单片机（内设8通道12位ADC）为核心控制电路，实现如下功能：
解析按键功能，驱动步进电机，驱动LCD显示测量结果，通过检测取样电阻的电压，实现开关阵列的自动量程转换，从而实现了高精度的电阻测量。
激励信号模块为自动量程转换模块提供稳定的5V电压，该电压被待测电阻、取样电阻和保护电阻分压。
单片机采集取样电阻和待测电阻上的电压，根据欧姆定律得到被测量电阻的阻值，由LCD显示器显示，如果待测量电阻和取样电阻的阻值偏差较大，则自动切换至下一档，从而实现待测电阻的阻值测量。
用户可以由按键输入控制命令、筛选阻值和误差，对系统经行控制。
经过步进电机驱动，可以测量并记录电机每转一定角度的阻值变化，从而描绘出电位器阻值变化曲线，得到电位器阻值变化曲线，以满足题目要求。
本设计的控制电路主要包括：
单片机80C51F120核心电路、自动量程转换电路、取样电阻电压提取电路、步进电机驱动电路和液晶显示模块。
以单片机作为核心电路，对量程选择电路进行控制，通过LCD显示出实验结果，以达到题目的基本要求与发挥部分的要求。
用户通过按键输入要求的电阻值和筛选的误差值，由测量电路与核心电路实现自动电阻的筛选功能。
通过单片机对步进电机的驱动实现电位器阻值随旋转角度变化的自动测量，并显示出测量曲线。
第二章理论分析与计算
2.1电阻测量原理
使用电压源分压的方法，测量取样电阻Rs的电压Vs和待测电阻Rl分得的电压Vl，通过A/D转换，得到相应的电压值。
由公式
得被测电阻
从而测出待测电阻的阻值。
2.2自动量程转换与筛选
自动量程转换
题目要求测量量程分为100Ω、1kΩ、10kΩ和10MΩ四档，而前三档量程需要具有自动量程转换功能。
如果已知电阻值为兆欧档，而待测电阻值偏小，因此待测电阻和已知电阻的比值将很小，将导致测量误差会很大。
为避免由于档位选择不当而带来的误差，本设计对档位进行两重选择。
首先，通过继电器对量程进行第一选择，实现兆欧档与其他档的分选。
然后，对其他量程的选择由单片机程序实现。
具体档位切换为：
量程0～200Ω归为100Ω档，量程200～11000Ω归为1kΩ档，量程11000～1100000Ω归为10kΩ档，量程>1100000Ω归为10MΩ档。
从而实现自动量程转换。
自动电阻筛选
自动电阻筛选功能的实现是在用户通过键盘输入要求的电阻值及误差值后，由基本功能实现对待测电阻的测量，然后由单片机程序进行误差分析与比较，即可得到筛选的结果。
2.3电位器阻值变化曲线
系统所采用的步进电机型号为28BYJ485V，该电机步进角为5.625/64度，转动一周需要360/5.625×64=4096个脉冲信号。
而题目所用旋转式单圈电阻360度对应电阻的最大值Rmax。
由此可知，每个脉冲对应的电阻值为Rmax/4096。
以角度为横坐标，阻值为纵坐标即可得到电位器阻值的变化曲线。
第三章电路设计
3.1系统总体设计
本设计的控制电路主要包括：
单片机80C51F120核心电路、自动量程转换电路、电阻电压取值电路、步进电机驱动电路和液晶显示模块、。
以单片机作为核心电路，对量程选择电路进行控制，通过LCD显示出实验结果，以达到题目的基本要求。
用户通过按键输入要求的电阻值和筛选的误差值，由测量电路与核心电路实现自动电阻的筛选功能。
通过单片机对步进电机的驱动实现电位器阻值随旋转角度变化的自动测量，并显示出测量曲线。
3.2单元电路设计
（1）核心电路
本设计的核心电路主要由C8051F120单片机、时钟电路、复位电路、JTAG下载口等模块组成，如图3.1所示。
单片机通过端口3实现对LCD的控制，液晶屏显示待测电阻的阻值、筛选时电阻的阻值和误差以及电位器阻值随旋转角度变化的曲线。
端口4与按键相连，实现用户输出要求的电阻值和筛选的误差值的设定。
单片机的ADC0子系统包括一个8通道的可编程模拟多路选择器，一个可编程增益放大器和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。
通过ADC0实现对不同量程参考电阻上电压的测量。
由单片机实现量程的自动转换功能，通过单片机对步进电机进行控制。
图3.1C8051F120单片机最小系统原理图
（2）激励电源模块
在激励模块电路中，5V电压经过RES192ES后，得到2.5V电压，传送至运放电路中，经过2倍扩大后得到标准的5V电压,作为取电阻电压的激励电源。
该模块中R1电阻（300欧）是为防止后面测量电路短路时造成大的电流损坏运放而使用的保护电阻，如图3.2所示。
图3.2激励电源模块
（3）电阻电压取值电路
电阻电压取值电路包括两部分：
一部分是待测电阻电压的测量电路，该电路采用高精度、低功耗的仪表放大器INA128。
第二部分是已知电阻电压的测量电路，为了使测量更准确选取5组不同的电阻值作为已知电阻。
已知电阻一端接地，直接用电压跟随电路获取其电压。
将取样电阻和待测电阻上的电压经AD转换后输入到单片机中，通过电压比例方法即可得到待测电阻的阻值，如图3.3所示。
图3.3电阻电压取值电路
（4）自动量程转换电路
自动量程转换电路由继电器和电子开关组成。
电子开关CD4051实现100Ω、1kΩ和10kΩ自动档位的切换，继电器用来实现兆欧档的测量电路。
继电器与电子开关由单片机进行控制，如图3.4所示。
图3.4自动转换电路图
（5）步进电机驱动电路
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
本设计采用ULN2003作为电机驱动芯片，通过4个端口与单片机相连。
电机驱动电路主要实现电机旋转角度的精确控制，如图3.5所示。
图3.5步进电机驱动电路图
第四章程序设计
4.1程序总体流程图
图4.1程序总体流程图
系统总体流程是实现初始化系统及显示系统界面及菜单，通过等待用户按键选择切换工作模块。
4.2各功能模块流程图
图4.2功能1和功能2程序流程图
图4.3功能3程序流程图
图4.4功能4程序流程图
本系统共有4个功能模块。
第1、2功能模块实现的原理相同，均是测量并显示当前被测电阻值。
第3功能模块是通过按键设置用户要筛选的电阻值、允许误差值，测量当前待测电阻值，判断是否合格，并显示结果。
第4功能模块是实现对旋转中不断变化的电位器阻值的测量并实时绘制测量曲线。
第五章系统测试
5.1测试方案及条件
测试的工具：
高精度万用表（安捷伦34410A6位半数字万用表）0-20MΩ不同阻值的电阻若干。
5.2测试结果及分析
基本要求部分测试
选取各种不同阻值的电阻测量数据如下：
表5-1不同阻值的电阻理论值与实测值对比表
标称电阻值（Ω）
高精度万用表测量值（Ω）
实际测试值（Ω）
误差%
30
29.9
29.9
0
51
50.8
50.7
0.19
75
74.7
74.6
0.13
100
99
99.1
0.10
200
201.4
202.3
0.44
510
504.3
504.2
0.02
750
735.6
735.4
0.03
1000
995.6
995.6
0
2000
1973
1970
0.15
5100
5048
5040
0.15
7500
7421
7420
0.01
10000
9901
9940
0.39
20000
19.76K
19.83K
0.35
51000
51.02K
50.8K
0.43
75000
74.96K
74.70K
0.34
100000
99K
99.1K
0.1
200000
199.3K
199.7K
0.20
510000
501.8K
500.4K
0.27
1000000
997.2K
995.1K
0.21
2000000
2013K
2010K
0.14
5100000
5320K
5320K
0
7500000
7560K
7580K
0.26
10000000
9.901
9.94
0.39
20000000
19.91
19.94
0.15
结果分析：
由表5-1数据可知，在0-20M欧范围内测得各测试电阻的最大误差率均不大于0.5%，完全能够满足题目0-10M，测量误差1%的要求。
发挥部分一测试
选取100Ω、1KΩ、10KΩ、10MΩ为筛选值。
分别设置不同的误差范围，然后接入不同阻值的电阻进行测试得到以下测量数据。
表5-2电阻筛选试验表格
筛选阻值（Ω）
被筛选电阻值（Ω）
误差范围（%）
是否符合筛选要求
100
35.52
5
不合格
100
99.71
5
合格
100
1.11K
5
不合格
1K
504.42
2
不合格
1K
995.63
2
合格
1K
1.12M
2
不合格
10K
100.02
10
不合格
10K
9.80K
10
不合格
10K
1.06M
10
不合格
10M
1.23K
6
不合格
10M
9.98M
6
合格
10M
20.9M
6
不合格
结果分析：
由表5-2可知，测量时，本系统能正确显示被测电阻阻值，并给出该电阻是否符合筛选要求的提示，符合自动电阻筛选要求。
发挥部分二测试
表5-3电位器旋转阻值测量
旋转角度（度）
0度
10度
20度
30度
40度
50度
60度
70度
80度
实际阻值（欧）
0
17.4
34.8
52.2
69.6
87.0
104.4
121.8
139.2
实测阻值（欧）
0
19.0
34.0
54.8
71.4
86.5
113.0
136.5
144.7
误差值（%）
0
0.08
0.02
0.04
0.03
0.01
0.07
0.10
0.04
旋转角度（度）
90度
100度
110度
120度
130度
140度
150度
160度
170度
理论阻值（欧）
156.6
174.0
191.4
208.8
226.2
243.6
261.0
278.0
259.8
实测阻值（欧）
165.0
170.8
192.9
221.8
232.89
150.0
180.8
304.9
260.9
误差值
（%）
0.05
0.01
0.01
0.06
0.03
0.38
0.31
0.30
0.01
结果分析：
由表5-3可知，经过以上数据可以得出本系统各项指标均达到系统设计要求。
总结
本系统以C8051F120单片机为主控制器，应用单片机片内集成的8通道模拟多路12位ADC做数模转换，构成测量系统。
通过对待测电阻的阻值测量，进行自动量程切换控制，从而实现了高精度的电阻测量；通过程序控制，实现了对电阻的自动筛选；通过控制步进电机，实现了对电位器旋转过程中，动态电阻值的测量，并在液晶显示屏上成功绘制动态曲线；通过最后的实现测试，本次设计的简易电阻测试仪成功完成了G题的基本部分和发挥部分的各项要求，并且部分指标已优于G题指标的要求。
通过这次比赛，我们学到了很多东西，对以后的人生有着相当重要的意义。
最后，十分感谢学校的培养和全国电子设计竞赛组委给予我们这次锻炼的机会。
参考文献
[1]王振红.FPGA开发与应用.清华大学出版社
[2]黄纸伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计（第二版）.北京航空航天出版社
[3]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京理工大学出版社
[4]李建忠.单片机原理及应用.西安电子科技大学
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