單片機(jī)控制的高阻測(cè)量系統(tǒng)

梅孝安，范春波，趙艷杰，周旭陽(yáng)，朱玉軍，楊中華

(湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414000)

1 引 言

目前沖擊電流計(jì)的發(fā)展已經(jīng)由傳統(tǒng)機(jī)械式向電子數(shù)字式轉(zhuǎn)變，數(shù)字沖擊電流計(jì)用LED數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，讀數(shù)清晰，操作方便，精度高. 采用數(shù)字沖擊電流計(jì)后，實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)源于電容對(duì)高阻放電時(shí)間的測(cè)量，傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)與秒表測(cè)量系統(tǒng)很難做到啟停同步，所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差大. 文獻(xiàn)[1]在實(shí)驗(yàn)中為了同步對(duì)開(kāi)關(guān)采用了光電門(mén)計(jì)時(shí)，雖然精度有所提高，但開(kāi)關(guān)與光電門(mén)間還是存在間隙，誤差不能避免. 文獻(xiàn)[2]在實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)了電子技術(shù)，采用繼電器與相關(guān)的電路來(lái)控制，大幅提高了實(shí)驗(yàn)精度，但不能隨意改變電容放電的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)操作不方便. 筆者利用AT89C52單片機(jī)、繼電器以及數(shù)碼管等外圍器件設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一套具有精準(zhǔn)控時(shí)智能開(kāi)關(guān)控制器，此電流計(jì)價(jià)格成本低、測(cè)量精確、功能多樣，利用此儀器附加其他設(shè)備，可以精確地測(cè)量電量、高電阻、電容以及磁場(chǎng)強(qiáng)度.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

高電阻一般指1×106Ω以上的電阻，由于惠斯通電橋靈敏度有限，因此一般不能也不宜用它來(lái)作精確測(cè)量高電阻. 目前用漏電法能比較精確地測(cè)量高電阻，其測(cè)量原理如圖1所示.

圖1 漏電法測(cè)高阻電路圖

測(cè)量方法是將被測(cè)電阻R與已知電容C并聯(lián)，然后按下面3種狀態(tài)運(yùn)行：

1)先將單刀雙向開(kāi)關(guān)S連接到3端的電源，對(duì)電容器充電(此為S開(kāi)關(guān)的狀態(tài)A)；

2)然后將開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，即不與3接觸，也不與1接觸，電容器上的電荷將通過(guò)高電阻R泄漏(此為S開(kāi)關(guān)的狀態(tài)B)；

3)最后將S開(kāi)關(guān)連接到1端，電容上剩余的電量流進(jìn)沖擊電流計(jì)而被測(cè)出(此為S開(kāi)關(guān)的狀態(tài)C).

精確控制漏電的時(shí)間并測(cè)出剩余電量就能通過(guò)計(jì)算得出高電阻的阻值. 如果利用秒表手工控制漏電的時(shí)間，即開(kāi)關(guān)手動(dòng)與秒表手工停啟，實(shí)驗(yàn)誤差非常大. 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能開(kāi)關(guān)控制器利用單片機(jī)定時(shí)系統(tǒng)和繼電器電磁開(kāi)關(guān)能進(jìn)行精確的定時(shí)控制，用戶可以隨意設(shè)定電容充電的時(shí)間、電容對(duì)電阻放電的時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)完成各種狀態(tài)的切換.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)主要包括AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤(pán)模塊、充放電開(kāi)關(guān)模塊、顯示模塊和復(fù)位模塊的電路設(shè)計(jì).

系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

1)鍵盤(pán)控制模塊. 鍵盤(pán)控制模塊由4個(gè)按鍵電路組成，分別連接到單片機(jī)的P3.2，P3.3，P3.4和P3.5口，其作用分別是狀態(tài)切換、加、減、開(kāi)始. 默認(rèn)的狀態(tài)是狀態(tài)A為設(shè)置充電時(shí)間，當(dāng)按一下?tīng)顟B(tài)切換鍵轉(zhuǎn)到狀態(tài)B為設(shè)置放電時(shí)間，再按一下?tīng)顟B(tài)切換鍵轉(zhuǎn)到狀態(tài)C為設(shè)定沖擊電流計(jì)測(cè)量的時(shí)間，所有的時(shí)間都可以用加減鍵來(lái)設(shè)定. 按下開(kāi)始鍵，系統(tǒng)將按設(shè)定的時(shí)間在3種狀態(tài)按順序自動(dòng)切換.

2)充放電開(kāi)關(guān)模塊. 該模塊主要由2個(gè)繼電器RL1和RL2組成，它們分別由單片機(jī)的P3.0和P3.1口通過(guò)三極管發(fā)大電路來(lái)控制. 圖中的Switch_1，Switch_2和Switch_3端分別對(duì)應(yīng)圖1中S開(kāi)關(guān)的1，2和3端. 狀態(tài)A為RL1閉合，RL2斷開(kāi); 狀態(tài)B為RL1和RL2均斷開(kāi); 狀態(tài)C為RL1斷開(kāi)，RL2閉合. 另外由于繼電器為感性元件，所有均反向并聯(lián)了1個(gè)二極管.

3)顯示模塊. 顯示電路由4個(gè)8段LED數(shù)碼管組成了動(dòng)態(tài)顯示電路，4個(gè)數(shù)碼管的8位字形碼并聯(lián)在一起，由單片機(jī)通過(guò)P0.0～P0.7控制顯示，而4個(gè)位選線則是由單片機(jī)上的P2.0～P2.3控制.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)Keil uVision4編譯. 軟件設(shè)計(jì)的思想是先進(jìn)行定時(shí)器中斷設(shè)置及其他的初始化工作，然后對(duì)按鍵輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并將數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)處理，最后確認(rèn)數(shù)據(jù)并按設(shè)定時(shí)間在3個(gè)狀態(tài)間自動(dòng)切換. 系統(tǒng)流程圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

單片機(jī)控制系統(tǒng)主板如圖4所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置實(shí)物如圖5所示，圖中的智能開(kāi)關(guān)控制器即為單片機(jī)高阻測(cè)量系統(tǒng).

圖4 系統(tǒng)主板圖

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置實(shí)物圖

為了對(duì)比，對(duì)6.8 MΩ標(biāo)準(zhǔn)高電阻測(cè)量了2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示，其中t為電容放電時(shí)間，Q1為采用單片機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)量的剩余電量，Q2為傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)測(cè)量的剩余電量. 實(shí)驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)電容C0為1 μF，所加電壓V為1 V.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量表

6 結(jié)束語(yǔ)

目前基于單片機(jī)控制的智能實(shí)驗(yàn)儀器在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)中得到了充分的應(yīng)用[3-6]，這些儀器出現(xiàn)使實(shí)驗(yàn)操作更為方便，測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確. 因此筆者利用AT89C52單片機(jī)、繼電器以及數(shù)碼管等外圍器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)出了單片機(jī)控制高阻測(cè)量系統(tǒng). 在高電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)中采用本系統(tǒng)后，實(shí)驗(yàn)操作變得形象直觀簡(jiǎn)單，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度和效率，從而提高學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)也讓學(xué)生更早地了解、認(rèn)識(shí)電子技術(shù). 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在湖南理工學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生進(jìn)行了多批次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用，教學(xué)效果較好.

參考文獻(xiàn)：

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