基于51單片機(jī)的小電阻測(cè)試儀

1引言
在電路測(cè)試過(guò)程中常常會(huì)碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大誤差，從而影響測(cè)試效果例如電感器變壓器中往往存在銅電阻，地鐵鐵軌的電阻；由于其數(shù)值較小，一般的指針萬(wàn)用表無(wú)法測(cè)量出來(lái)；通常實(shí)驗(yàn)室里會(huì)用電橋進(jìn)行測(cè)量，但電橋操作手續(xù)較煩，又不能直接讀出被測(cè)電阻阻值鑒于此，我們采用了單片機(jī)，利用單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了該測(cè)量?jī)x該測(cè)量?jī)x可直接從LCD顯示屏上讀出所測(cè)得的電阻值，測(cè)量范圍為10～2.9999k，同時(shí)可以把測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，然后經(jīng)串行口送入上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)的強(qiáng)大功能，可以對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理該測(cè)試儀的測(cè)量精度高達(dá)±0.1%，并采用四端測(cè)量法，電阻值不受引線長(zhǎng)短及接觸電阻的影響不僅測(cè)量簡(jiǎn)便，讀數(shù)直觀，且測(cè)量精度分辨率也高于一般電橋可用于實(shí)驗(yàn)室研究所，尤其適用于工作現(xiàn)場(chǎng)

2測(cè)試原理

如上圖本機(jī)的基本原理是采用在被測(cè)電阻上通過(guò)已知的恒定電流,取出被測(cè)電阻上的壓降，經(jīng)放大器放大轉(zhuǎn)換為0～3V直流電壓，然后送入C8051F005A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，經(jīng)單片機(jī)處理，最后經(jīng)過(guò)液晶顯示器直接顯示電阻阻值
由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電阻的測(cè)量，所以要求放大器的分辨率高(高潮達(dá)10V)，線性度好，輸入阻抗高，并要求漂移低抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2中信號(hào)處理電路所示的差動(dòng)放大器此放大器由運(yùn)放A1A2組成第一級(jí)差分式電路，A3組成第二級(jí)差分式電路，R3R4RW組成反饋網(wǎng)絡(luò),引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故有較高的輸入阻抗，且A1A2都選同相端作為輸入端，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再經(jīng)過(guò)A3組成的差分式電路，可以互相抵消，故它有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓；A4是電壓反向跟隨器，其作用是使前后級(jí)隔離分析此電路可得下列方程

當(dāng)R5= R7R6= R8時(shí)，上述方程化簡(jiǎn)可得：

從(3)式知輸出電壓U4與被測(cè)電阻RX成正比放大器的倍數(shù)由R3R4RW而定，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～3V，本儀器設(shè)置放大器的放大倍數(shù)為10倍，在U4端得到0～3V的直流電壓為了保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，除上述電路本身優(yōu)點(diǎn)外，集成運(yùn)放A1A2A3選用了高精度低噪聲低漂移的max495，反饋支路的電阻均選用高精度低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾測(cè)試時(shí)被測(cè)電阻與測(cè)試儀器間采用四端接線法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測(cè)量時(shí)用四根專(zhuān)用導(dǎo)線與被測(cè)電阻Rx連接，當(dāng)被測(cè)電阻較小時(shí)，為了避免導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響，四根連接導(dǎo)線要做到特性一致阻抗相同，這樣就可以消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響

3小電阻測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)
該儀器的核心部分是能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的電路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機(jī)C8051F005該系統(tǒng)主要包括電源電路信號(hào)采集電路信號(hào)放大電路液晶驅(qū)動(dòng)及顯示電路串行通訊電路系統(tǒng)復(fù)位電路和C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）系統(tǒng)各部分的詳細(xì)電路如圖2所示
3.1C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路
本系統(tǒng)使用的是C8051F005，它具有如下特點(diǎn)：
61548;片內(nèi)有多達(dá)60KB的Flash ROM和2KB RAM，用戶無(wú)需再外擴(kuò)存儲(chǔ)器；
61548;一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，自帶采樣保持功能；
61548;兩通道串行通訊接口，可用于異步或同步模式；
61548;一個(gè)模擬比較器，可實(shí)現(xiàn)電壓比較或基準(zhǔn)電壓的輸出
ADC12是12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶有采樣保持功能，具有高速通用的特點(diǎn)它有8個(gè)外部信號(hào)采樣通道和4個(gè)內(nèi)部通道由差動(dòng)放大器輸出的信號(hào)由通道0輸入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換模式和參考電壓源都可以由用戶用軟件設(shè)置
由于該單片機(jī)內(nèi)部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，還可以大大縮小電路板的尺寸另外，在電路板上預(yù)留一個(gè)JTAG接口，再配以一個(gè)普通的PC機(jī)，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的調(diào)試

圖2系統(tǒng)詳細(xì)電路圖

3.2串行通訊電路
C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成了兩個(gè)通用串行同步/異步模塊USART0和USART1，均支持兩種不同的串行協(xié)議，即；通用異步協(xié)議（UART協(xié)議）和同步協(xié)議（SPI協(xié)議）本電路采用UART協(xié)議，再通過(guò)一個(gè)RS232接口芯片MAX3221E與PC機(jī)通訊
MAX3221E是工作電壓為＋3.0～＋5.5V僅需1A的供給電流且具有自動(dòng)關(guān)閉功能的單路RS－232收發(fā)器C8051F005單片機(jī)的一大特點(diǎn)就是低功耗，它有多種功耗狀態(tài)可以編程控制MAX3221E也是具有低功耗特點(diǎn)的接口器件，通過(guò)ENFORCEONFORCEOFF引腳可以控制驅(qū)動(dòng)器接收器的工作狀態(tài)，啟動(dòng)或禁止自動(dòng)降低功耗功能，從而使其工作在不同的能耗狀態(tài)，達(dá)到降低功耗的目的
3.3電源電路
本系統(tǒng)采用電池供電，這樣既可以保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠又可便于在實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境下使用
3.3LCD驅(qū)動(dòng)及顯示電路
LCD顯示選用型號(hào)為SMS0501C段碼顯示驅(qū)動(dòng)器該液晶顯示器的接口方式為二線式串行接口，顯示方式為反射式正顯示，工作電壓為2.7V~5.5V
3.4其他電路
除了以上幾個(gè)主要的電路外，系統(tǒng)還有電源欠壓檢測(cè)電路和系統(tǒng)復(fù)位電路等電源欠壓檢測(cè)電路采用的是C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成的模擬比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位電路采用按鈕復(fù)位形式，利用電容的充放電對(duì)單片機(jī)進(jìn)行正確復(fù)位當(dāng)按鈕被按下時(shí)，C8051F005單片機(jī)的RST引腳即為低電平，只要這個(gè)低電平保持2個(gè)機(jī)器周期以上，單片機(jī)即可正確復(fù)位

4軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，整個(gè)程序包括主程序數(shù)據(jù)采集程序數(shù)據(jù)處理程序串行通訊程序定時(shí)器中斷程序LCD顯示程序所有的程序均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，可以很方便地調(diào)試和下載程序代碼限于篇幅，本文只給出主程序的流程圖，如圖3所示
系統(tǒng)的主程序主要完成C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)的初始化設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和中斷字，調(diào)用鍵盤(pán)處理程序，根據(jù)不同的按鍵轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序，完成不同的功能，如數(shù)據(jù)的采集與處理串行通信以及歷史記錄的查詢其中串行通訊子程序不僅可以將單片機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理分析，用戶也可以根據(jù)情況從PC機(jī)上設(shè)置待測(cè)數(shù)據(jù)多少以及測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短等

5結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)如上所述的電路原理，開(kāi)發(fā)出了樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該儀器的功耗低，這樣就大大增加了電池的使用壽命；體積小，重量輕，便于攜帶，很適合在野外及工作現(xiàn)場(chǎng)使用；
測(cè)試準(zhǔn)確，該儀器在對(duì)10～10的微小電阻測(cè)試時(shí)讀數(shù)穩(wěn)定性也較好，且測(cè)量精度高

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