簡(jiǎn)易電阻測(cè)試儀

莫蘇芮

(中共忠縣縣委黨校，重慶 404300)

在當(dāng)代隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步。就在電子行業(yè)發(fā)展的今天，我們知道在很多的電器設(shè)備上都有電阻元件，我們需要測(cè)量電阻的參數(shù)在測(cè)試在電子設(shè)計(jì)中又是非常重要的，目前我們測(cè)試電阻的參數(shù)基本上都采用萬(wàn)用表直接測(cè)試元件的兩端以測(cè)得元件參數(shù)。但在實(shí)際的元件上電阻等元件已經(jīng)焊接在電路板上，而像電阻一般不是一個(gè)獨(dú)立的元件，而是和其他的元件或并、或串聯(lián)在一起，直接測(cè)試兩端的話將會(huì)造成極大的誤差。這就需要我們想辦法來(lái)形成一個(gè)測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量一個(gè)與它有關(guān)系的值來(lái)轉(zhuǎn)換測(cè)量，因此就需要發(fā)展我們的電阻測(cè)試儀。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

首先將電阻對(duì)應(yīng)的電壓實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量，接著將模擬電壓信號(hào)送入A/D采樣，通過A/D把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理，完成電阻測(cè)量，再通過單片機(jī)與顯示模塊的連接，顯示測(cè)量結(jié)果。該測(cè)試儀使用C語(yǔ)言編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件，包括主控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、電阻測(cè)試模塊的相應(yīng)程序。

2 單元模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 電阻測(cè)量部分

2.1.1 方案選擇

方案：分壓法具有較高的可操作性，串聯(lián)分壓測(cè)量電阻即通過測(cè)量電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)

2.1.2 方案設(shè)計(jì)

分壓即電阻串聯(lián)分壓，在電路中被測(cè)電阻滑動(dòng)變阻器Rv1和一個(gè)高精度的已知基準(zhǔn)電阻R1串聯(lián)，并在兩個(gè)電阻的兩端加一個(gè)已知的恒定電壓U。設(shè)測(cè)量部分電阻為Rx、對(duì)地電壓為Ux,R1兩端的電壓為U1，根據(jù)歐姆定律:

U-Ux/(R1+Rv1-Rx)=Ux/Rx

化簡(jiǎn)可得 Rx=(R1*Ux+Rv1*Ux)/U

由于R1，Rv1已知，Ux由電路自動(dòng)測(cè)量得到，經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算可得出被測(cè)電阻的阻值。

2.1.3 方案說(shuō)明

我們要實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)簡(jiǎn)易的電阻測(cè)量?jī)x需要實(shí)現(xiàn)的就是把電阻值給測(cè)量出來(lái)，因此我們就可以直接用串聯(lián)分壓測(cè)量電阻值的大小，通過測(cè)量電阻兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻的測(cè)量，測(cè)量電阻Rx范圍在0-1K即Rv1值為1K，電壓與電阻之間有固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系單片機(jī)可計(jì)算出來(lái)。

(1)圖2所示R1為已知電阻，Rx為被測(cè)電阻，Ux為被測(cè)電阻電壓值，總的電壓值U為提供的5V電壓源。

(2)本設(shè)計(jì)在選擇被測(cè)電阻時(shí)運(yùn)用一個(gè)滑動(dòng)變阻器來(lái)表示被測(cè)電阻。滑動(dòng)在變阻器不同位置代表不同的電阻值獲得多個(gè)不同的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的測(cè)量要求。

(3)滑動(dòng)變阻器的阻值范圍是0-1K,可以改變變阻器的位置確定不同的大小，但他們的電壓電阻數(shù)字關(guān)系保持不變，就可以獲得我們所需要的結(jié)果，這個(gè)值是確定的，則最后的測(cè)量結(jié)果誤差也小。

(4)綜上我們發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)刻根據(jù)關(guān)系法來(lái)確定電阻電壓關(guān)系，在設(shè)計(jì)中我們知道是通過電路中整個(gè)電路的電壓在確定的情況下設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電阻與電壓的關(guān)系，則需用到穩(wěn)定電壓作為設(shè)計(jì)的前提。

2.1.4 分壓電路

電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端，因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，因此電子制作中經(jīng)常采用常用的三端集成穩(wěn)壓。

本設(shè)計(jì)電路中，芯片7805構(gòu)成恒壓源，由7805提供5V電壓，構(gòu)成總電壓為5V的串聯(lián)分壓電路，7805外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。電路由交流電源、變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路、負(fù)載幾部分組成。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換

單片機(jī)能夠讀取的是數(shù)字信號(hào)，對(duì)于這部分就要實(shí)現(xiàn)電壓的A/D轉(zhuǎn)換，我們就需要將被測(cè)電阻的兩端模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓。由于TLC1543與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單，與單片機(jī)的接口采用串行接口方式連接引線很少，并且它的精度是10位有一定的準(zhǔn)確性因此在A/D轉(zhuǎn)換部分我們選擇該芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。

TLC1543是CMOS、10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有三個(gè)輸入端和一個(gè)3態(tài)輸出端：片選(CS)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/0 CLOCK)、地址輸入(ADDRESS)和數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)。這樣通過一個(gè)直接的四線接口與主處理器或其外圍的串行口通訊。片內(nèi)含有l(wèi)4通道多路選擇器可以選擇l1個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試(self—test)電壓中的一個(gè)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號(hào)(EOC)輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。系統(tǒng)時(shí)鐘由片內(nèi)產(chǎn)生并由I/O CLOCK同步。片內(nèi)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)使器件有高速(10μS轉(zhuǎn)換時(shí)間)、高精度(10位分辨率、最大±1LSB線性誤差)和低噪聲特點(diǎn)。

2.3 主控模塊

主控模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心部分，單片機(jī)AT89C51。AT89C51單片機(jī)是一種可編程的集成度高、抗干擾能力強(qiáng)的一種CMOS8位低功耗集成芯片。

在本系統(tǒng)中單片機(jī)是整個(gè)操作系統(tǒng)的中樞，整個(gè)系統(tǒng)是通過單片機(jī)來(lái)控制其它各部分的電路，由電路測(cè)量所得的數(shù)據(jù)需要通過單片機(jī)軟件處理進(jìn)行轉(zhuǎn)換后將其送到液晶顯示器顯示。AT89C51其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括8位的中央處理單元CPU含布爾處理器，其片內(nèi)具有256字節(jié)RAM和4KB的ROM存儲(chǔ)單元，4個(gè)8位的既可做輸入也可做輸出并行 I / O即P0—P3，2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工異步串行口，一套完善的中斷系統(tǒng)具有五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，可編程進(jìn)行控制。由于AT89C51是中間轉(zhuǎn)換的作用，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)是模擬電壓值信號(hào)要通過A/D轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字電壓信號(hào)后就需要經(jīng)過單片機(jī)的軟件處理將其電壓值轉(zhuǎn)換為電阻值。

2.4 顯示模塊

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是測(cè)試出電阻的阻值，因此測(cè)出的阻值就需要將其電阻值在液晶上顯示出來(lái)。LCD1602是用來(lái)顯示字符，對(duì)于本處需要顯示的是電阻值表示如0.001k、0.999k的數(shù)字和字符，因此對(duì)此選擇運(yùn)用LCD1602對(duì)單片機(jī)AT89C51處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定顯示。

我們用的液晶顯示器是字符型液晶模塊，它是一種用5x7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符，通常根據(jù)顯示的容量將液晶顯示器可以分為1行16個(gè)字、2行16個(gè)字、2行20個(gè)字等等，而對(duì)本系統(tǒng)顯示模塊采用的就是2行16個(gè)字的1602液晶模塊[7]。LCD1602一共含有14個(gè)引腳，特別注意的是第4、5、6、7腳.第4腳：RS為寄存器選擇，它是數(shù)據(jù)/命令選擇端，當(dāng)RS=1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、RS=0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀/寫選擇端，當(dāng)R/W=1時(shí)進(jìn)行讀操作，R/W=0時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為0時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為0、R/W為1時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為1、R/W為0時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由1跳變成0時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。通常我們?cè)谑褂肔CD1602模塊時(shí)要進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)容為：清屏，功能設(shè)置，顯示與不顯示設(shè)置，輸入模式設(shè)置。

2.5 擴(kuò)展模塊

雖然在單片機(jī)芯片內(nèi)部集成了計(jì)算機(jī)的基本功能部件，但由于一些應(yīng)用系統(tǒng)，還需要擴(kuò)展一些外圍芯片，以增加單片機(jī)的硬件資源?？偩€信號(hào)通過8155I/O擴(kuò)展電路再連接到液晶數(shù)據(jù)口將其顯示出來(lái)。8155芯片是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片，8155的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由三部分組成：存儲(chǔ)單元為256字節(jié)的靜態(tài)RAM；3個(gè)可編程的I/O，其中A口和B口為8位口，另外的一個(gè)口C口為6位口；另外還有1個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

因?yàn)?155的許多信號(hào)與51單片機(jī)兼容，因此8155與MCS-51單片機(jī)的連接比較簡(jiǎn)單兩者可以直接相連。AD[0..7]為數(shù)據(jù)地址復(fù)用線與單片機(jī)的P0口能夠直接相連不需加地址鎖存器，因?yàn)?155內(nèi)部已有鎖存器，因此連接時(shí)不需要再加鎖存器。除此8155的ALE、RESET、RD、WR與51單片機(jī)的ALE、RST、RD、WR都是可以直接連接。綜上所以選擇8155芯片來(lái)作為擴(kuò)展模塊擴(kuò)展I/O口。本設(shè)計(jì)中將AD[0..7]數(shù)據(jù)總線直接與C51的P0口連接，PA口的數(shù)據(jù)輸出與液晶顯示屏LCD相連。單片機(jī)通過片選線選通8155芯片，然后將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過AD[0..7]送入8155芯片，8155芯片對(duì)輸入的地址進(jìn)行譯碼并通過PA口輸出。

3 程序設(shè)計(jì)

電阻測(cè)量部分采集電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)再通過液晶顯示模塊顯示電阻值。除主程序外包括A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示、延時(shí)子程序。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如下表所示，Ux為所測(cè)電壓值，Rx為所測(cè)電阻值，R為實(shí)際電阻值。在本設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中通過測(cè)量電阻兩端的電壓值Ux，然后通過電壓值與電阻值之間的定量關(guān)系進(jìn)行兩者轉(zhuǎn)化而得到我們所需的電阻值。未知測(cè)量電阻是采用滑動(dòng)變阻器，在知道整個(gè)電阻值的情況下滑動(dòng)在不同位置占不同的百分比就接入不同的電阻測(cè)量值，我們就可以通過這個(gè)知道我們所實(shí)際接入的電阻值因此滑動(dòng)位置也就得到每一個(gè)理論值R。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從上表結(jié)果中，我們可以觀察到電阻測(cè)量值與理論值相比誤差范圍很小，因?yàn)檎麄€(gè)設(shè)計(jì)是在穩(wěn)壓的前提下實(shí)現(xiàn)因此測(cè)量結(jié)果是一系列與理論值接近的電阻值。方案簡(jiǎn)單且沒有造成電阻損失，唯有7805穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)壓電源信號(hào)不精確造成電阻分壓法分得電壓值不準(zhǔn)確有誤差，其次電阻串聯(lián)部分滑動(dòng)變阻器時(shí)不夠穩(wěn)定造成誤差。除此之外，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇等會(huì)造成測(cè)量的誤差，為提高電阻測(cè)試儀的的精度，減小實(shí)際測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差，本測(cè)試儀采用了軟件補(bǔ)償硬件的方法，在實(shí)際值與測(cè)量值之間尋找規(guī)律，建立函數(shù)，使所有的固有誤差得到最有效的補(bǔ)償，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校零的功能。

5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本系統(tǒng)通過分壓電阻測(cè)試法將測(cè)量電阻的電壓測(cè)試出來(lái)，通過TLC1543實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換將所得的模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓，再通過AT89C51單片機(jī)處理數(shù)據(jù)將電壓又轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電阻，最后將其所得電阻值用LCD1602顯示出來(lái)。

根據(jù)以上的測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)按照要求完成了電阻的測(cè)試，很好的滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所提出設(shè)計(jì)內(nèi)容和功能。高精確度是我在設(shè)計(jì)整個(gè)電路時(shí)的基本原則，經(jīng)作品最終測(cè)試后從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中可觀察到這種方法測(cè)量范圍較寬,誤差值比較小、相對(duì)誤差小于1%。這也最終說(shuō)明了方法的可行性，因此串聯(lián)分壓法適合于簡(jiǎn)易電阻的測(cè)量。