簡易自動電阻測試儀的制作

1、文檔編碼 : CT5R4N9I6W3 HV8X7N5E10J10 ZE6W9Y7M6Q92022 年全國高校生電子設(shè)計競賽（全國二等獎獲得者）簡易自動電阻測試儀（ G題）簡易自動電阻測試儀摘要：本設(shè)計以 STC89C51RC為主把握器,測量電路接受的是串聯(lián)分壓原理,以標準電阻為基準, 用被測電阻與標準電阻上的分壓進行比較,然后通過運算得出被測電阻的阻值； 再經(jīng)過信號處理將測量電路輸出的電壓送給 A/D 轉(zhuǎn)換器,用單片機把握器讀取 A/D 轉(zhuǎn)換后的值在其內(nèi)部轉(zhuǎn)換后輸出給液晶進行顯示被測電阻值；依據(jù)此種方法運算較為簡潔,原理清晰,操作便利；單片機主要完成采集和處理經(jīng)過轉(zhuǎn)化的數(shù)字量信號, 完成鍵盤錄

2、入、 液晶顯示等功能； 此系統(tǒng)性能穩(wěn)固,精度高,誤差在 1%以內(nèi),具有良好的有用價值；關(guān)鍵詞： A/D 轉(zhuǎn)換, STC89C51RC,液晶顯示目 錄4 4 4 4 4 4 5 6 6 7 8 8 8 9 9 10 10電位器阻值變化曲線裝置 10 10 10 11 1 測試使用的儀器設(shè)備 1測試方案與測試條件 1 測試數(shù)據(jù) 1 結(jié)果分析 3 5 結(jié)論 3 基本部分 3 發(fā)揮部分 3 其它 3 4 5 5 7 1 系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計要求（1）測量量程為100 、 1K 、 10K 、 10M 四檔；測量精確度為 （1%讀數(shù) +2 字）；（2）3 位數(shù)字顯示（最大顯示數(shù)必需為999）,能自動顯示小數(shù)點

3、和單位,測量速率大于 5 次/ 秒；（3）100 、 1K 、 10K 三檔量程具有自動量程轉(zhuǎn)換功能；總體設(shè)計方案 1.2.1 設(shè)計思路題目要求設(shè)計一臺簡易自動電阻測試儀,實現(xiàn)對電阻的測量； 設(shè)計主要分為電阻測量電路模塊和 MCU數(shù)據(jù)處理模塊；電阻測量電路模塊是依據(jù)串聯(lián)分壓原理,讓被測電阻與標準電阻串聯(lián),以標準電阻作為測量量程的基準,用恒壓源給電路供電,依據(jù)被測電阻的不同,標準電阻兩端的電壓就會發(fā)生轉(zhuǎn)變,將標準電阻兩端的電壓值經(jīng)過處理后給A/D 轉(zhuǎn)換器,然后送給單片機,在單片機內(nèi)通過A/D轉(zhuǎn)換的電壓值轉(zhuǎn)換成被測電阻的阻值, 接受矩陣鍵盤對需要設(shè)置項進行設(shè)置,以 LCD12864液晶進行顯示工作

4、界面；如圖 1 所示是系統(tǒng)總體框圖：信號 處理 轉(zhuǎn)換 顯示MCU STC89C51RC矩陣鍵盤測量開關(guān)步進電機步進電機驅(qū)驅(qū)動電路電路4.7K 旋轉(zhuǎn)式電動電路位器1.2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計圖 1 系統(tǒng)總體框圖（1）電阻測量方案論證 方案一：串聯(lián)分壓原理VCCRx UxR0 U0圖 2 串聯(lián)分壓原理圖依據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理可知,串聯(lián)電路上電壓與電阻成正比關(guān)系；通過測量 Rx 和 R0 上的電壓；由公式 Rx=Ux/U0/R0 可以得到被測電阻 Rx 的阻值；此種方案簡潔牢靠,簡潔操作、精度高；方案二：恒流源法I0 Rx圖 3 恒流源電路依據(jù)歐姆定律可知, 將被測電阻接入恒流源電路中,在被測電阻兩端產(chǎn)

5、生電壓；此種方案中, 在轉(zhuǎn)變負載后電流就可能不穩(wěn)固,而且制作恒流源的電路比較復雜,調(diào)試難度較大；方案三：利用直流電橋平穩(wěn)原理的方案R1GR2R3R4圖 4 電橋（其中 R1、R2 為可變電阻器, R3 為已知電阻, R4 為被測電阻）依據(jù)電路平穩(wěn)原理,不斷調(diào)劑電位器,使得電表指針指向正中間；由R1*R2=R3*R4 ；在通過測量電位器電阻值,可得到 比較困難；R4 的值；但是這種方案調(diào)試綜合以上三種方案的優(yōu)缺點, 依據(jù)題目的要求我們最終選定方案一；方案一的電路簡潔、易于操作,而且測量精度能中意題目要求；（2） 電機選擇方案論證在題目的幫忙裝置中用電機與電位器相連,的選擇有以下兩種方案：方案一：

6、直流電機以實現(xiàn)自動測量功能； 對于電機直流電機易于操作, 使用便利,但是直流電機的速度不易把握,假如接到電 路中測得數(shù)據(jù)會顯現(xiàn)較大誤差；方案二：步進電機 接受步進電機把握速度比較精確,但是步進電機的把握程序要多些；綜合以上兩種方案, 依據(jù)題目的要求接受步進電機把握電位器精度較高,而 且可以進行逐步調(diào)劑；因此,選擇方案二；2 理論分析運算與硬件電路設(shè)計電阻測量原理分析運算 電阻測量電路是依據(jù)分壓原理, 電源 VCC的電壓分別加在被測電阻和標準電阻上,為了系統(tǒng)穩(wěn)固使測得U0精確,電源 VCC接受恒壓源；繼電器是用來切換連接到不同阻值的標準電阻,即切換量程；當繼電器切換到不同的量程時,標準電阻分得的

7、電壓U0就會不同,如圖 5 所示；VCCRx繼K1K2K3K4電器U01001K10K10M圖 5 電阻測量原理圖A/D 采樣電路是將測量電路測得U0的值進行模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換后送給單片機進行處理,在單片機內(nèi)部對得到的數(shù)據(jù)進行運算,算出被測電阻的阻值后送給液晶,在液晶上顯示被測電阻當前的阻值；當檢測不同阻值的電阻時, 由單片機來進行檢測,當檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時, 同時單片機發(fā)出把握信號把握繼電器切換到不 同的檔位；為了使 A/D 采到穩(wěn)固的信號, 所以在 A/D 和測量電路之間用了一個電壓跟隨器,由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高,輸出阻抗低, 這就使信號在前級電路中的損耗降到最低,保證A/D 轉(zhuǎn)換器

8、讀到的數(shù)值比較精確；如圖6 是 OP07構(gòu)成的電壓跟隨器； OP07 芯片是一種低噪聲,非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路；由于 OP07具有特殊低的輸入失調(diào)電壓 （對于 OP07A最大為 25 V）,所以 OP07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施；OP07 同時具有輸入偏置電流低（OP07A為 2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為 300V/mV）的特點,這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 OP07特殊適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的脆弱信號等方面；特點：超低偏移： 150 V 最大；低輸入偏置電流：低失調(diào)電壓漂移：； V/ ；超穩(wěn)固,時間： 2 V/month；最大高電源電壓范疇：

9、 3V 至 22V；+12VUOU0OP07-12V圖 6 電壓跟隨器 A/D 數(shù)據(jù)采樣電路 A/D 數(shù)據(jù)采樣是用 ADC0809為數(shù)據(jù)采集芯片； ADC0809是 CMOS單片型逐次 靠近式 A/D 轉(zhuǎn)換器,它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8 位 開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次靠近寄存器、規(guī)律把握和定時電路組成；如圖 7所示是 ADC0809的引腳圖,圖8 是 ADC0809在電路中的連接圖：+5ST1U3IN 3IN 2圖 7 ADC0809 引腳圖ALE1U4s7414CLK+528227IN 4IN 1326A2+5IN 5IN 0425A74lIN 6A524BIN

10、7B623CSTC213EO722STEOCALE312P3821P72-52-1411OE920P6OE2-2510CLK1019P5CLK2-3691118P4P1V CC2-4781217P0V +2-81316GNDV -1415P22-72-6圖 8 ADC0809 在電路中的原理圖 A/D 將采集過來的電壓值轉(zhuǎn)換成單片機能讀取的數(shù)據(jù),單片機讀取數(shù)據(jù)后,在單片機內(nèi)部依據(jù)前端的測量原理,將讀到的電壓值換算成電阻送給液晶顯示；單片機把握系統(tǒng)本系統(tǒng)接受的處理器是我們常用的STC89C51RC,STC89C51RC是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓,高性能 CMOS 8位單片機,片內(nèi)含 2

11、k bytes 的可反復擦寫的只讀程序儲備器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)儲備器（ RAM）,器件接受 ATMEL 公司的高密度、 非易失性儲備技術(shù)生產(chǎn), 兼容標準 MCS-5l 指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用 8 位 央處理器和 Flash 儲備單元,功能強大；在該系統(tǒng)中,對于題目對于系統(tǒng)的要求, 用 STC89C51RC 單片機可以中意要求, 而且 STC89C51RC單片機是我們最簡潔使用的、最熟識的單片機,所以再選擇處理器時, 我們第一選擇的就是該單片機；如圖 9 所示是 STC89C51RC的引腳封裝圖；1P1.0 P1.1RXDVCC40239 383P1.2P0.0

12、4P1.3P0.1375 6P1.4 P1.5P0.2 P0.336357P1.6P0.434 338P1.7P0.59RSTP0.63210 11P0.7 EA / VPPP3.031P3.1 P3.2TXD3012ALE /PROGINT 0INT 1T0T12913PSEN P2.7P3.3 P3.4142815 1627 26P3.5P2.6P3.6 P3.7WRP2.5 P2.41725RD2418XTAL2P2.323P2.219XTAL122 21P2.120GNDP2.0圖 9 STC89C51RC的引腳封裝圖 單片機最小系統(tǒng) 2.4.1 時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需

13、的時鐘信號,時序是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系； 單片機本身就如同一個復雜的同步時序電路,為了保證同步工作方式的實現(xiàn),電路應(yīng)在唯獨的時鐘信號把握下嚴格地按時序進行工作；在 STC89C51RC單片機內(nèi)部帶有時鐘電路,因此,只需要在片外通過 XTAL1和 XTAL2引腳接入定時把握元件（晶體振蕩器和電容）,即可構(gòu)成一個穩(wěn)固的自激振蕩器； 在 STC89C51RC芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器,而在芯片的外部,XTAL1和 XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容；STC89C51RC的時鐘電路如圖 10 所示：C112MHZXTAL130pFC230 pFXTAL2/EAVss圖 10 STC8

14、9C51RC的時鐘電路用晶振和電容構(gòu)成諧振電路；電容 C1、C2容量在 1540pF之間,大小與晶振頻率和工作電壓有關(guān)； 但電容的大小影響振蕩器的穩(wěn)固性和起振的快速性,為了提高精度,本系統(tǒng)接受30pF 的電容作為微調(diào)電容；在設(shè)計電路時,晶振、電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片,以減小分布電容,保證振蕩器振蕩的穩(wěn)固性；2.4.2 復位電路復位是單片機的初始化操作,其主要功能是使單片機從 0000H 單元開頭執(zhí)行程序；除了進入系統(tǒng)的正常初始化以外,當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時,為擺脫困境也需按復位鍵以重新啟動；STC89C51RC芯片內(nèi)部有復位電路, RST 引腳是復位信號的輸入端高電平

15、有效,復位方式有自動復位和手動復位兩種；本單片機系統(tǒng)接受手動復位方式復位；STC89C51RC的復位電路如圖 11 所示,圖中 S按鍵是手動復位按鍵,輸出 RST接單片機的 9 腳（RST）：VccS+ C 3 22FRST R110K圖 11 STC89C51RC的復位電路 LCD 顯示電路在整個系統(tǒng)中, 為了能夠更好的顯示出測得的結(jié)果,使顯示界面更突出人性化,所以我們選擇的是 LCD12864作為顯示屏； LCD12864的顯示功能相對來說比 較齊全,它不僅能夠顯示字母和漢字,而且可以顯示圖片、圖形；在這個系統(tǒng)中要求隨著電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度的變化在顯示裝置中顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角 度變化的

16、曲線, 而 12864的功能完全能夠中意題目的要求,所以在選擇顯示器時我們第一選擇的就是 LCD12864；如圖 12 所示,是 LCD12864在電路中的連接圖；+5J21RPRS231034 5RWE678+5+5910PSB111213141516 1718192012864圖 12 LCD12864 在電路中的連接圖 在電路設(shè)計中, 由于單片機的 I/O 有限制,所以在液晶顯示時,我們接受的是串口顯示,圖9 中 PSB端口是單片機串口的輸出端；所以在按按鍵把握電路 由于在該系統(tǒng)中需要通過按鍵輸入要求的電阻值和選擇的誤差值,鍵把握系統(tǒng)中需要數(shù)字鍵和功能鍵,為了中意這個要求, 按鍵把握電路

17、我們接受的是 4 4 的矩陣鍵盤,一共16 個按鍵,完全能夠中意系統(tǒng)的需要；如圖13 所示是矩陣鍵盤的原理圖；0123J11P2084567P212P22910113P23412131415J21 2 3 4P24 P25 P26 P27圖 13 矩陣鍵盤的原理圖原理圖中矩陣鍵盤的8 個端口與單片機的P2口相連；電機驅(qū)動電路如圖 14 所示是電路中的步進電機驅(qū)動電路,J3 連接單片機的 I/ 口,連接步進電機的輸入線； U7是步進電機的驅(qū)動芯片 ULN2022,它屬于高電壓、 大電流的達林頓管,可以直接用單片機到的I/O 口直接驅(qū)動步進電機；PR1 10K1 2 3 4 5 6 7 8 9+1

18、2J3U614+5U716+5+12U84113121522213314313124134PM_14115125510611PM3569710788974LS04ULN2022圖 14 步進電機驅(qū)動電路 電位器阻值變化曲線裝置 依據(jù)題目說明, 本系統(tǒng)應(yīng)當具備自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化 曲線的幫忙裝置, 我們接受步進電機與旋轉(zhuǎn)式單圈電位器相連,為了減小電機轉(zhuǎn) 動時與電位器不同軸的情形,我們使用聯(lián)軸器來連接步進電機和電位器；3 軟件程序設(shè)計自動量程轉(zhuǎn)換與選擇功能 電阻測量電路接受的是串聯(lián)分壓式電路,依據(jù)題目要求,測量量程分為 100 、 1K 、 10K 、10M 四檔 , 為了能夠?qū)?/p>

19、現(xiàn)量程的自動切換,我們使用的是用 單片機把握不同檔位繼電器的開關(guān)實現(xiàn)檔位的切換；對于本系統(tǒng)的選擇功能, 我們是通過鍵盤進行設(shè)置需要選擇的電阻值,然后 對電阻進行測量,當測量到設(shè)置的選擇值時,在液晶屏上顯示出提示信息；軟件流程圖 如圖 15 所示是軟件操作流程圖：開頭LCD 主界面無確認鍵數(shù)否按下有功能鍵選擇測阻值阻值選擇測試曲線無檢測是否有按鍵按下有圖 15 軟件流程圖4 測試方案與測試結(jié)果4.1 測試使用的儀器設(shè)備 測試使用的儀器設(shè)備如表所示；表 4-1 測試使用的主要儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1 萬用表2 數(shù)字式2 示波器1 數(shù)字式3 直流穩(wěn)壓電源1 測試方案和測試條件 對于本系

20、統(tǒng)的測試方案,我們接受在每個檔位內(nèi)取 6 個不同阻值的電阻,其 中在大于二分之一量程阻值取三個,小于二分之一量程阻值取三個；然后對六個 電阻進行測量, 最終選出其中的三個電阻, 使這三個電阻接近被測六個電阻的平 均值并記錄測得數(shù)值； 以此類推,在另外三個量程內(nèi)也選出三個電阻做數(shù)據(jù)記錄；為了減小外界因素對系統(tǒng)測量時產(chǎn)生誤差,所以我們在室溫下進行測量；測試數(shù)據(jù) 測試方案我們選擇的是通過多次測量分析電阻的測量值和實際值之間的差值,如下表所示是通過測量得到的測量數(shù)據(jù)（誤差值=理論值 - 測試值）：表 4-2 第 1 次測得的數(shù)據(jù)理論178 497 811 值測試165 483 811 值誤差8% %

21、% % % 0 % % % % % % 值表 4-3 第 2 次測得的數(shù)據(jù)理論值% % 22% 107 160 307 K K K % % % （ ）測試值154 K K K （ ）誤差值% % % 9% % % 表 4-4 第 3 次測得的數(shù)據(jù)理論值% % % 469 692 836 % % % % % % （ ）測試值458 713 861 （ ）誤差值% % % 表 4-5 第 4 次測得的數(shù)據(jù)理論值% % % 256 433 516 % % % % % 10M （ ）測試值255 429 515 10M （ ）誤差值% % % 0 表 4-6 第 5 次測得的數(shù)據(jù)理論值% % % 15

22、4 256 327 % % % % % % （ ）測試值255 （ ）誤差值% % % 表 4-6 第 6 次測得的數(shù)據(jù)理論值745 908 （ ）測試159 741 903 10M 值（ ）誤差% % % % % % % % % % % 1% 值結(jié)果分析通過以上 6 次的試驗測量結(jié)果比較可以看出,試驗的精確度逐步提高, 由此可以看出試驗原理簡潔易行,試驗結(jié)果令人中意,測量精度達到了設(shè)計要求；5 結(jié)論本文設(shè)計制作的簡易自動電阻測試儀系統(tǒng),夠中意以下要求：基本部分通過多次的理論分析和試驗后能基本要求 最終結(jié)果（1）測量量程為 100 、1k 、10k 、10M 四檔；測量精確度為 （1%讀在 1

23、k 和 10k 量程內(nèi)誤差均在 1%以下；在 100 和 10M 量程內(nèi)偶會顯現(xiàn)數(shù) 2 字）；3%左右誤差,其它均在1%以下；（ 2）3 位數(shù)字顯示（最大顯示數(shù)必需完全中意為999）,能自動顯示小數(shù)點和單位, 測量速率大于 5 次/ 秒；（ 3）100 、 1k 、 10k 三檔量程具 有自動量程轉(zhuǎn)換功能；完全中意發(fā)揮部分發(fā)揮部分 最終結(jié)果（1）具有自動電阻選擇功能 完全中意（ 2）設(shè)計并制作一個能自動測量和顯 示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線的幫忙裝置, 要求曲線各點的測量精確度 完全中意 為 （ 5%讀數(shù) 2 字） , 全程測量時間 不大于 10 秒, 測量點不少于 15 點；其它（1）在自

24、動量程轉(zhuǎn)換部分可以實現(xiàn) 自動量程切換；100 、1k 、 10k 和 10M四檔量程內(nèi)（2）自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線的幫忙裝置中經(jīng)過測 試得出,在 10秒內(nèi),測量點在 20點左右；參考文獻1 黃友銳等 . 單片機原理及應(yīng)用 M. 合肥工業(yè)高校出版社 ,. 2 潘永雄 . 新編單片機原理與應(yīng)用 M . 西安電子科技高校出版社 ,. 3 朱定華 . 單片微機原理及接口技術(shù)試驗M . 北方交通高校出版社 ,. 4 付家才 . 單片機把握工程實踐技術(shù) M . 化學工業(yè)出版社 ,. 5 王雷, 鐘愛琴等 .AT89 系列單片機原理與接口技術(shù)M . 北京航空航天高校 ,. 6 康華光 .

25、 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 第四版 M . 高等訓練出版社 , . 7 李明星 . 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與制作M . 吉林工程技師學院 , 邱關(guān)源 . 電路M . 高等訓練出版社 ,. 附錄附錄 1 電路原理圖U3+5ST1IN3IN228A2A+5ALE1U414CLK+5RP+5RSJ2227IN4IN1326IN5IN042574ls741IN6A524BIN7B2623CSTC2133EO722STEOCALE3124P3821P7103RW2-52-14115OE920P6EOE2-25106CLK1019P5CLK2-36971118P4P1VCC2-478+581217P0V+2-89

26、1316GNDV-P21014152-72-61112 13PSB14 1516+517 1819 20PR2 128 64 511VCC1 2 3 4 5 6 7 8 9U5S3VCCE1P0+51P10P0039AJ4C1RSC2J5P1238RWP11P01P2337EP12P02P3436PSBP13P03P45351P14P04P5634P15P052P6733P16P063P7832P17P074R5C13INT1P2021X1PM_011222INT0P212OE23X215P223T124P2341425T0P245Y12631P256X1EA/VP27P26710K2812M

27、19P278X1X218RXD10JZ30P30PX29RESET11BTXDEO17RD30ALEALE/PST1629WRPSEN附圖 1 單片機最小系統(tǒng)和A/D采樣電路PR1 10K1 2 3 4 5 6 7 8 9+12J3U614+5U716+5+5+12U84113121522213314313124134PM_14115125510611PM3569710788974LS04ULN2022R0 XJ6S1-12A1U2+12A2R1+5K1R2+5K2R3+5K3R4A1K418+5273645-12VOP07LED+54S2321POWERE2C31001K10K10M100

28、uF0.1uF+12R0 500161514131211109+5U1ULN20221 2 3 4 5 6 7 8J1 PM_21 2 3 4附圖 2 量程自動切換和電動機把握電路0123J11P2084567P212P22910113P23412131415J21 2 3 4P24 P25 P26 P27附圖 3 矩陣鍵盤J01D1D2E1R1LED1U1VoE3C3U3VoE6C61J1LM7812LM7805Vi NDGVi NDGC11N40071N40072200uF/25V1K0.1uF470uF0.1uF470uF230.1uF243D3D4E2C2D N ViGVoE4C41N

29、40071N40072200uF/25V0.1uF470uF0.1uFU2 LM7912附圖 4 電源電路附錄 2 系統(tǒng)部分主要源程序void main enchl; Init; Sdat; while1 gn0; whilekeyval=0Scankey; switchkeyval case 1:gn1; break; case 2:gn2; break; case 3:gn3; break; void t0interrupt 1 uchar s; s+; ifs=4 s=0; chuli; TH0=0 x3c; TL0=0 xbe; void gn1 SendCMD0 x01; hd1;

30、keyval=0; while1 i=0; add1,1; whiled02i.=0 SendDatad02i; i+; i=0; switchdangwei case 1: add2,0; whiled11i.=0 SendDatad11i; i+; SendData1;SendData0;SendData0;SendDataR; break; case 2: add2,0; whiled11i.=0 SendDatad11i; i+; SendData1;SendDatak;SendData ;SendData ;break; case 3: add2,0; whiled11i.=0 SendDatad11i; i+; SendData1;SendData0;SendDatak;SendData ; break; case 4: add2,0; whiled11i.=0 SendDatad11i; i+; SendData1;SendData0;SendDataM;SendData ;break; i