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27电子0901班吴祥贵

简易自动电阻测试仪

摘要

本设计根据题目要求制作一台简易自动电阻测试仪，能够测量100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档不同的量程，并实现其中前三档的自动量程转换功能，同时自动显示小数点和单位。

基于这些要求，经过讨论，决定利用555多谐振荡电路将电阻参数转化为频率，频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。

通过输入单片机AT89C51控制继电器控制被测RC振荡电路频率的自动选择，电路由控制电路、LCD12864显示系统和报警控制电路组成，能很好的实现各个要求。

单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，另一方面便于使仪表实现自动化，设计时间短，成本低，可靠性高。

关键字：

AT89C51单片机555多谐振荡电路继电器自动量程转换

Abstract

Thedesignonthebasisofthesubjectdemandproducedasimpleautomaticresistancetester,capableofmeasuring100OmegaOmega,1K,10K,10MOmegaOmegafourprofileatdifferentrange,andrealizestheautomaticconversionrangebeforethethird,whileautomaticallydisplayadecimalpointandunit.Basedontheserequirements,afterdiscussion,decidedtousethe555multivibratorcircuitresistanceparametersaretransformedintofrequency,frequencyofFSCMiseasilyhandledthedigitalquantity,ahighmeasuringprecision,ontheotherhand,soeasytorealizeautomationofinstrumentation,andchipmicroprocessorapplicationsystemhashigherreliability.Throughtheinputofsingle-chipAT89C51controlrelaytocontrolthetestedRCoscillatingcircuitfrequencyautomaticselection,input/outputcontrolusingthekeyboardinputcontrolcircuit,LCD12864displaysystemandanalarmcontrolcircuit,canachieveaverygoodall.Microcontrollerhavingprogrammable,hardwaredescriptionofthefunctioncanbecompletelyrealizedinsoftware,ontheotherhand,soeasytorealizeautomationofinstrumentation,shortdesigntime,lowcost,highreliability.

Keywords:

singlechipAT89C51555multivibratorcircuitrelayautomaticrangeswitching

目录

一、绪论-1-

二、方案论证及单元模块-1-

2.1方案论证与比较-1-

2.2设计思路-2-

2.2.1总体方案组成和说明-2-

2.2.2单元电路组成设计-2-

三、设计实现-7-

3.1测量电路设计-7-

3.2通道选择电路设计-8-

3.3控制电路设计-9-

3.4显示电路-10-

3.5软件设计-10-

四、测试及结果分析-12-

4.1测试方法及使用的仪器-12-

4.2指标测试和测试结果-12-

五、结论-12-

六、个人心得-13-

七、致谢-14-

参考文献-14-

附录-15-

附录1主要元器件清单-15-

附录2程序清单-16-

附录3实物图-27-

一、绪论

现代电子产品正以前所未有的速度，向着多功能化、体积最小化、功耗最低化的方向发展。

本次设计出具有四档量程的简易自动电阻测试仪，量程分别为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档，难点在于小电阻的测量精度。

测量时电阻值为3位数字显示（最大显示数必须为999），能自动显示小数点和2字单位，如98.7欧姆，并实现前三档的自动量程转换。

在本设计中我们着重介绍一种把电子元件的参数R转换成频率信号f，然后采用单片机控制后，再通过程序处理运算求出R，最后应用LCD12864显示的方法。

量程自动转换原理分别是RC振荡电路和LM555多谐振荡器，这样就能够把待测电阻转换为频率，而频率f是单片机很容易处理的数字量。

目前市面上测量电子元器件参数R的仪表种类较多，方法和优缺点也各有不同。

一般的测量方法都存在计算复杂，不易实现自动测量而且很难实现智能化等缺点。

将电阻参数转化为频率，这样处理一方面使测量精度提高了，另一方面也便于使仪表实现智能化，并能很好的实现各个要求。

二、方案论证及单元模块

2.1方案论证与比较

方案一：

恒流源测低电阻，恒压源测高电阻，恒流源供电，测元件电压，用恒压源供电，测元件电流，从而完成对电阻的测量，但是很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的范围都狭窄。

方案二：

直流电桥法测电阻直流电桥法测电阻是最普遍的方法，根据平衡条件及一些已知的电路参数就可以求出被测参数，用这种方法测量，参数的值要通过联立方程求解，调节电阻档位一般只能一手动，电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现。

这样，电桥法不易实现自动测量和档位转换。

方案三：

把电阻转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和555电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率，通过公式计算出各个电阻参数。

然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把电阻的值送显示部分显示出相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。

总结：

通过精确度以及方便使用的角度考虑，方案三的方法更好。

2.2设计思路

2.2.1总体方案组成和说明

本系统的电路设计方框图如图2-1所示，它由四部分组成：

①控制部分主芯片采用单片机AT89C51；②测量部分主要是采用利用RC振荡电路和555振荡电路实现将被测电阻转换为频率；③通道选择部分主要是通过51单片机I/O接口控制继电器来自动选择被测频率的档位；④显示部分是通过LCD12864、二极管指示灯及按键选择测量电路。

图2-1系统设计框图

2.2.2单元电路组成设计

第一电源部分

（1）分析说明:

电源电路采用三端稳压器，三端稳压器安全可靠，PCB布线简单，输出电流足够大，而且集成稳压器内部有较为完善的保护电路。

它的内部有过流保护，保证输出电流不会超过最充许值。

它的内部有热保护电路，如果输出管的结温达到允许的最大值，它就会自动减小输出电流。

它内部有工作区限制电路，使稳压器的工作不进入不安全区（输出管的管压降和输出电流小于规定值），所以这种稳压器的可靠性较高。

如图2-4所示。

（2）原理图

图2-2电源电路

第二控制部分

（1）分析说明：

本设计以单片机为核心，采用AT89C51单片机，利用其管脚特殊的功能以及具备的中断系统，延时程序来控制换挡，以及12864液晶屏的显示等等功能。

（2）原理图

图2-3单片机最小系统

（3）51单片机最小系统电路介绍

Ø单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

Ø单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

Ø设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。

计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

Ø设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。

在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。

当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。

由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求至少维持一周的引脚电平。

表2-4单片机端口定义

标识符号

地址

寄存器名称

P3

0B0H

I/O口3寄存器

PCON

87H

电源控制及波特率选择寄存器

SCON

98H

串行口控制寄存器

SBUF

99H

串行数据缓冲寄存器

TCON

88H

定时控制寄存器

TMOD

89H

定时器方式选择寄存器

TL0

8AH

定时器0低8位

TH0

8CH

定时器0高8位

TL1

8BH

定时器1低8位

TH1

8DH

定时器1高8位

第三测量部分

（1）计算分析：

RC振荡电路时利用555振荡电路实现被测电阻的频率，通过51单片机的I/O接口的自动识别量程，来实现自动测量。

（2）原理图

图2-5LM555振荡电路

（3）555定时器芯片工作原理,功能及应用

555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

555定时器的应用

1．单稳态电路

前面介绍的双稳态触发器具有两个稳态的输出状态和，且两个状态始终相反。

而单稳态触发器只有一个稳态状态。

在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。

单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。

单稳态触发器电路的构成形式很多。

图2-6（a）所示为用555定时器构成的单稳态触发器，R、C为外接元件，触发脉冲u1由2端输入。

5端不用时一般通过0.01uF电容接地，以防干扰。

下面对照图2-6（b）进行分析。

图2-6（a）555定时器构成的单稳态触发器2-6（b）单稳态触发器波形显示

2．多谐振荡器

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。

在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。

两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。

多谐振荡器可用作方波发生器。

图2-7所示是由555定时器构成的多谐振荡器。

R1、R2和C是外接元件。

刚接通电源时，uc=0，u0=1。

当uc升至后，比较器C1输出低电平（=0），基本RS触发器置0，定时器输出u0由1变为0。

同时，三极管T导通，电容通过R2放电，uc下降。

在0

在uc下降至以后，比较器C2输出低电平（=0），使触发器置1，输出u0由0变为1。

同时三极管T截止，于是电容C再次被充电。

如此不断重复上述过程，多谐振荡器的输出端就可得到一串矩形波。

工作波形如图2-7（b）所示。

（a）电路图（b）波形图

图2-7多谐振荡器

振荡周期等于两个暂稳态的持续时间。

第一个暂稳态时间tp1为电容C的电压uc从充电至所需时间，第二个暂稳态时间tp2为电容C的电压从放电至所需时间。

（4）RC振荡电路功能介绍

采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。

因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。

常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。

因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。

常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。

（1）RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。

（2）RC桥式振荡器将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。

其振荡频率为fo=1/2πRC。

第四通道选择部分

（1）分析说明：

本设计通过单片机控制来控制继电器的自动选择，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

（2）原理图

图2-8继电器自动选择

第五显示部分

（1）分析说明：

使用12864液晶显示屏,具有画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点，可以显示4行字，符合本次设计任务的要求。

（2）原理图

图2-912864显示

三、设计实现

3.1测量电路设计

根据题目要求，采用555多谐振荡电路，将电阻量转换为相应的频率信号值。

考虑到单片机对频率的灵敏度，具体的讲就是单片机对10HZ~10KHZ的频率计数精度最高。

所以要选用合理的电阻和电容大小，同时又要考虑到不能使电阻的功率过大。

所以首先要确定对应档位时适合的频率，然后在确定电阻或电容值，从而算出4个电阻和电容的值以及对应频率范围。

电阻的测量采用“脉冲计数法”，如下图所示由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1，得出：

即，求出Rx

表3-1振荡测量电路对应量程参数

档位

电阻R1

电容C1

频率范围

0~100Ω

R1=200Ω

C1=4.7uF

766~1543HZ

100Ω~1KΩ

R2=15KΩ

C2=10nF

8487~9492HZ

1KΩ~10KΩ

R3=20KΩ

C3=10nF

3606~6568HZ

10KΩ~10MΩ

R4=10MΩ

C4=4.7pF

10930~16387HZ

3.2通道选择电路设计

利用实现测量CD4052类别的转换，CD4052是差分4通道数字控制模拟开关器件，有A0和A1两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流。

表3-2CD4052真值表

INHIBIT

B

A

0

0

0

0x,0y

0

0

1

1x,1y

0

1

1

2x,2y

0

1

1

3x,3y

1

x

x

None

该电路通过CD4052双向模拟开关控制量程的自动切换，直到进入适当的量程为止。

电路流程图如下：

图3-3量程自动转换流程图

注：

实际测试时由于CD4052出现问题，其频率较高不能自动换挡，最终我们选择了继电器来显示代替CD4052来自动换挡的功能。

3.3控制电路设计

本设计使用单片机为核心部件，来控制换挡以及显示。

以下是单片机管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：

表3-4P3特殊功能口

P3口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（串行口输出）

P3.2

INT0（外部中断0输入）

P3.3

INT1（外部中断1输入）

P3.4

T0（定时器0外部脉冲输入）

P3.5

T1（定时器1外部脉冲输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写脉冲输出）

P3.7

RD（外部数据存储器读脉冲输出）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.4显示电路

系统的显示部分采用LCD12864液晶显示模块。

3.5软件设计

系统通过频率来控制量程自动切换，并根据RC振荡频率公式换算成对应的电阻，然后再控制显示模块输出。

图3-5程序设计流程图

四、测试及结果分析

4.1测试方法及使用的仪器

测量方法：

采用555多谐振荡电路，将电阻量转换为相应的频率信号值。

再利用单片机及有关程序对范围的选择，显示侧量出数值。

测试使用的仪器设备：

数字万用表、示波器。

4.2指标测试和测试结果

表4-1测试结果对照分析表

档位

测量值

测量值

实际值

0~100Ω

23Ω

14Ω

100Ω~1KΩ

768Ω

231Ω

1KΩ~10KΩ

5614Ω

5501Ω

10KΩ~10MΩ

8978KΩ

8870KΩ

五、结论

在这次毕业设计中，我们小组的成员有李丽丽、桑士存和我。

其中，李丽丽主要负责的项目是材料的收集、原理图绘制以及文档的编写等，桑士存主要负责的是软件的编程、调试和修改等，我主要负责的是硬件电路板的设计、焊接等。

但是在制作过程我们也相互帮助，相互探讨，相互修改。

比如收集材料时，我们必须先了解硬件产品的型号才能收集对应的资料，否则就是天方夜谭。

还有设计硬件时必须先要绘出硬件原理图，想一下焊接时的整体布线后，才能进行焊接，否则一切徒然。

当然了，硬件的设计还要建立在软件的基础上，软件必须以硬件为奠基，这样才能做出好的产品。

我们小组的毕业设计主要是利用51单片机实现测试电阻值的功能，先基于单片机和量程自动切换控制系统，根据待测电阻的大小实现适当频率的控制，再分别采样频率，通过程序中的计算公式来求出待测电阻Rx的值并在12864液晶上显示。

在这过程中我深刻体会到坚持就是胜利的道理！

我尝试着用各种方法来计算。

当然了，毕业设计的整体流程不可能一帆风顺，毫无问题的。

在设计过程中我们主要出现以下几个问题：

1.在测量振荡电路中的电阻值和电容值时，由于单片机对10HZ~10KHZ的频率计数精度最高。

所以要选用合理的电阻和电容大小。

同时又要考虑到不能使电阻的功率过大，这样给我们计算带来了很多的麻烦，其中，最主要的问题是采样不准确。

2.同时，我们接收到的频率总是时高时低，很不稳定，所以整个硬件电路很难控制电阻值的精确度，因此，导致产生的误差比较大。

而且，通过频率求电阻的计算公式是我们根据理论计算和模拟实验求证得出的，因而，导致产生的误差又一步加大。

还有所够买的元器件本身所具有的误差，焊接所用的电路板本身的误差，焊接元器件时由于焊接水平不够好所带来的误差以及连接元器件时所采用的网线自身的误差等都使电阻值的精确度降低。

3．CD4052是差分4通道数字控制模拟开关器件，有A0和A1两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流，但是必须在接受较高频率时才能自动换挡，而且，通过查找资料，我们得知CD4052主要接收的是模拟信号。

所以，经过反复的研究、查找和讨论之后，我们最终决定用继电器代替CD4052来实现硬件的自动换挡功能。

4.在硬件设计过程中也遇到一些问题，比喻一些电路的排版布线怎样才是最合理的，我尝试了好多次，最终确定了最后的样板；还有就是刚开始焊锡有些不均匀，这会增大误差；最终我还是客服了种种困难完成了我的任务。

5．总之，在实验过程中时常有捉襟见肘的感觉，一方面是理论不足，很多好的方案，好的思想由于理论的匮乏，无法理解，也不能使用，在以后的学习过程中理论的学习始终是重点；还有就是程序的问题，由于编程水平跟不上，加上思路也不清晰，导致程序的编写存在很大的问题，好的思想，无法在程序中展现出来，这也是以后需要加强的地方。

六、个人心得

在做毕业设计的这段时间里，我学到了很多，使我深知了一个团队合作的重要性！

这些天我们相互配合相互帮助，在我们的共同努力下，