在線電阻測(cè)量?jī)x的制作與設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上在線電阻測(cè)量?jī)x的制作與設(shè)計(jì)摘 要：設(shè)計(jì)了一種在單片機(jī)控制下的在線電阻測(cè)量?jī)x器。被測(cè)電阻本身通過(guò)Rx/V轉(zhuǎn)換電路，利用運(yùn)放的“虛短”、“虛斷”特點(diǎn)和電隔離技術(shù)，經(jīng)過(guò)雙限比較器，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)軟件編程使其變成電阻數(shù)據(jù)，通過(guò)LED動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)單片機(jī)還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換和量程顯示，具有較高的測(cè)試精度。關(guān)鍵詞：電阻；在線測(cè)試；量程轉(zhuǎn)換；單片機(jī)A Measurement Instrument of In-circuit Resistance Abstract: This paper presents an instrument

2、controlled by the single-chip AT89C51.The instrume -nt can carry out the on-line measurement for resistance and capacity. It uses the principle of the v -oltage negative feedback and the method of the isolated voltage. The instrument can collect data and implement A/D conversion. It can also change

3、the range of measurement automatically and provide high accuracy.Key Words: resistance; single-chip computer; on-line measurement; A/D conversion引 言在二十一世紀(jì)的今天，首先應(yīng)當(dāng)肯定的是PCB產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今最充滿希望的產(chǎn)業(yè)，PCB也就是我們現(xiàn)在所熟悉的印刷電路板。從發(fā)明至今，它的歷史已經(jīng)走過(guò)了六十年，按現(xiàn)在電子電路大會(huì)的說(shuō)法，PCB這六十年的歷史表明“沒(méi)有PCB，就沒(méi)有電子線路,飛行、交通、原子能、計(jì)算機(jī)、通信、電話這一切都無(wú)法實(shí)現(xiàn)”，由此看出，PCB對(duì)

4、我們的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常廣泛的。而一塊能夠正常投入使用的PCB板往往需要通過(guò)大量的調(diào)試，測(cè)量和維修，因?yàn)镻CB板上都處都是電阻和電容，比如我們有時(shí)候并不能確定一個(gè)電阻的阻值是否是我們想要的那個(gè)參數(shù)，那就需要通過(guò)測(cè)量來(lái)了解其阻值，但是這個(gè)電阻現(xiàn)在已經(jīng)被焊在了PCB板上，測(cè)量時(shí)電阻不是單獨(dú)存在的，會(huì)并聯(lián)上很多電阻網(wǎng)絡(luò)，以避免受到其它串、并聯(lián)支路的影響，通常我們的做法就是焊開(kāi)電阻的一個(gè)腳，然后再對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，這樣的做法從理論是講是正確的，但是確顯得很麻煩，而且效率低，還極易損傷線路板和元器件。所以我們現(xiàn)在需要一種更為方便的途徑來(lái)解決這個(gè)難題，希望在不焊開(kāi)電阻的情況下測(cè)量其電阻的阻值。本課題應(yīng)用的在線測(cè)量

5、技術(shù)是一種新穎的電子測(cè)量技術(shù)，亦稱(chēng)等電位隔離技術(shù)。它能在不破壞電路完整性的前提下，準(zhǔn)確測(cè)量電子設(shè)備印制線路中的電流、電阻、晶體管等參數(shù)。該在線電阻測(cè)量電路的基本原理是由集成運(yùn)放和電阻等簡(jiǎn)單元?dú)饧M成的電阻/電壓變換器，且采用的器件數(shù)目少，易于集成化。它不采用以往模擬式的電阻測(cè)量?jī)x，而采用單片機(jī)的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程，數(shù)據(jù)處理和顯示等，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程中的智能化。此智能在線電阻測(cè)量?jī)x具有電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單方便、顯示直觀等特點(diǎn)，對(duì)電路稍加改動(dòng)，即可完成在線電容和在線電感的測(cè)量，又可改裝成電容、電感、電阻三用在線測(cè)量?jī)x。該設(shè)計(jì)在今后的電子應(yīng)用設(shè)計(jì)領(lǐng)域中都有非常廣泛的應(yīng)用，為我們今后

6、的測(cè)量起了很好的幫助。1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)為了讓在線電阻測(cè)量?jī)x能夠更加精密把被測(cè)電阻的阻值顯示在數(shù)碼管上，也考慮到了這個(gè)電路的實(shí)用與經(jīng)濟(jì)性，我們首先設(shè)定了制作方案。把設(shè)計(jì)分為5個(gè)重要部分來(lái)完成，分別是Rx/V轉(zhuǎn)換電路，量程轉(zhuǎn)換和顯示量程，A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)控制部分，LED顯示部分。在線電阻測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵就在于Rx/V轉(zhuǎn)換器，Rx即在線電阻，Rx/V轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)“電隔離”功能、電阻轉(zhuǎn)換成電壓等功能。這部分電路所采用的是反相輸入比例運(yùn)算電路，利用集成運(yùn)放的“虛短”、“虛斷”原理，巧妙的達(dá)到“電隔離”的效果。單片機(jī)控制部分將會(huì)是這個(gè)方案中至關(guān)重要的一部分，這個(gè)牽涉到量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，應(yīng)用單片機(jī)

7、可以根據(jù)所測(cè)電阻自動(dòng)切換量程，達(dá)到操作方便。在量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換問(wèn)題上，我們應(yīng)用到的是CD4051。其次就是A/D轉(zhuǎn)換器，它可以將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，在這里我采用的是ADC0809。最后就是電路的顯示部分，顯示電路采用的是LED數(shù)碼管（共陽(yáng)），用來(lái)將A/D轉(zhuǎn)換的值進(jìn)行顯示。圖1-1是本系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖。在本章下面幾個(gè)小節(jié)中將根據(jù)這個(gè)硬件原理圖，對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析。A/D轉(zhuǎn)換器LED顯示部分單片機(jī)系統(tǒng)Rx/V轉(zhuǎn)換器多路模擬開(kāi)關(guān)雙限比較器圖1-1 系統(tǒng)組成框圖1.1 系統(tǒng)硬件的總流程圖整個(gè)系統(tǒng)的流程為：Rx輸入 Rx/V轉(zhuǎn)換器、多路模擬開(kāi)關(guān) U模擬輸出（U1模擬信號(hào)）A/D

8、轉(zhuǎn)換器U1數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)處理Rx數(shù)字信號(hào)顯示部分Rx數(shù)值被測(cè)電阻Rx經(jīng)過(guò)Rx/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓U，此電壓經(jīng)過(guò)雙限比較器（0-5V），得出一個(gè)高低電平給單片機(jī)（P2.1），P2.1為高電平時(shí)，讓單片機(jī)來(lái)控制量程轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)牧砍虝r(shí)，即P2.1為低電平時(shí)，此時(shí)被測(cè)電阻Rx轉(zhuǎn)換成電壓U1，單片機(jī)開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換器把IN-0口模擬信號(hào)U1轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)P0數(shù)據(jù)口傳輸給單片機(jī)。數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)軟件編程，換算成電阻數(shù)據(jù)，再通過(guò)P1數(shù)據(jù)口和P3控制口，進(jìn)行LED動(dòng)態(tài)顯示。具體總電路見(jiàn)附錄11.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)要求通過(guò)單片機(jī)顯示電路中被測(cè)電阻的阻值，必須通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，把電阻轉(zhuǎn)換為

9、電壓信號(hào)，才能把數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路分三部分：Rx/V轉(zhuǎn)換器，量程轉(zhuǎn)換電路，量程顯示電路。1.2.1 Rx/V轉(zhuǎn)換電路在線電阻測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵技術(shù)是Rx/V轉(zhuǎn)換電路，Rx即在線電阻。無(wú)論電路多么復(fù)雜，總可以把與Rx相并聯(lián)的元件等效為兩只互相串聯(lián)的電阻R1和R2，由此構(gòu)成三角形電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖1-2。此轉(zhuǎn)換器的作用就是對(duì)R1，R2進(jìn)行“電隔離”，消除R1，R2對(duì)Rx的影響。把輸入的Rx轉(zhuǎn)換成模擬的U信號(hào)，把模擬電壓信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖1-2 等效電阻具體方案如下：如圖1-3，R0為量程電阻，也就是我們要用的CD4051所連接的參考電阻。從圖中我們看出該運(yùn)放是反相輸

10、入比例運(yùn)算電路，其反饋是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，由于開(kāi)環(huán)差模增益很高，滿足深度負(fù)反饋條件，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，因此運(yùn)放有“虛短”，“虛斷”的特點(diǎn)。由于C點(diǎn)接地，所以D點(diǎn)虛地，則R1兩端呈同電位，因此UR1=0，則R1相當(dāng)于斷路。又根據(jù)深度電壓負(fù)反饋, 其輸出電阻為0 的特性, 負(fù)載電阻R2對(duì)輸出電壓無(wú)影響。R1和R2就不起分流作用，這樣即可直接測(cè)量Rx的阻值。為測(cè)試電壓，s為測(cè)試電流。設(shè)流過(guò)Rx ，R1的電流分別為x,1。根據(jù)基爾霍夫定律和流入反相輸入端的電流為0，可知： sx1 (1-1)又根據(jù)“虛地”原理，cd=1 R1=0,故10,亦可忽略不計(jì)，由此得到：sx (1-2)再考慮到點(diǎn)接地，點(diǎn)虛地

11、，因此：sR0 (1-3)進(jìn)而推導(dǎo)出：x=x Rx=s Rx=(E/ R0) Rx (1-4)顯然，只要用數(shù)字電壓表測(cè)出Rx兩端的壓降x,就能求出Rx值。這就是在線測(cè)量電阻的基本原理圖1-3 Rx/V轉(zhuǎn)換電路從上面電路看出，如果Rx右端不接電阻，而直接接地的話，則輸出電壓為0，這樣就Rx/V轉(zhuǎn)換就不成立了。由式Ux=-ERx/Ro可看到，Ux與Rx成正比，若Ux ，則Rx ，但實(shí)際上Ux不可能趨于無(wú)窮大，它以運(yùn)放所加的電壓為極限，而現(xiàn)實(shí)中Rx卻可以趨于無(wú)窮大，這就意味著，當(dāng)待測(cè)電阻Rx大到一定程度就不存在一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的Ux值了。物理概念與上述完全吻合，當(dāng)Rx變大，負(fù)反饋就變?nèi)?，閉環(huán)增益就變大，

12、到一定程度運(yùn)放就達(dá)到飽和，此時(shí)按線性狀態(tài)推導(dǎo)出的式子當(dāng)然就不成立了。問(wèn)題是運(yùn)放什么時(shí)候趨與飽和呢？將Ux飽和值（近似取為運(yùn)放所加的電源電壓）及E、Ro的數(shù)值代入式Ux=-ERx/Ro計(jì)算。所得的Rx值即為該運(yùn)放趨于飽和的待測(cè)電阻，它是待測(cè)電阻的上限，也就是所謂的“量程”。顯然，電路中選擇不同的Ro值就可以有不同的“量程”。它的精確度體現(xiàn)在集成運(yùn)放的型號(hào)的選擇上，因?yàn)榧蛇\(yùn)放的一些技術(shù)指標(biāo)如開(kāi)環(huán)差模增益等都是決定精確度的關(guān)鍵。所以在選擇上即要保持精確度，又要有經(jīng)濟(jì)性，所以選擇了OP-07運(yùn)放。1.2.2 Rx/V轉(zhuǎn)換電路與雙限比較器的連接雙限比較電路是由兩個(gè)簡(jiǎn)單比較器組成，如圖1-4所示，它能指

13、示出Ui值是否處于和之間。如Ui，雙限比較器的輸出電壓UO等于運(yùn)放的正飽和輸出電壓(+Uomax)，如果Ui或Ui，則輸出電壓U0等于運(yùn)放的負(fù)飽和輸出電壓(UOmax)。圖1-4 雙限比較器Rx/V轉(zhuǎn)換電路與雙限比較器的連接電路如圖1-5所示，單片機(jī)給定一個(gè)量程后，被測(cè)電阻Rx經(jīng)過(guò)Rx/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓U，電壓U的范圍是0-12V。Rx小于R0，則電壓U為0-5V；如果Rx大于R0，則輸出為12V。后面的雙限比較電路采用LM324，當(dāng)經(jīng)過(guò)OP-07轉(zhuǎn)換出來(lái)的電壓U在0-5V之間的時(shí)候，兩個(gè)二極管D8，D9截止，輸出的電壓為了0V；當(dāng)轉(zhuǎn)換出來(lái)的電壓大于5V的時(shí)候，D9截止，D8導(dǎo)通，輸出的電壓

14、為5V；當(dāng)轉(zhuǎn)換出來(lái)的電壓小于0V的時(shí)候，D8截止，D9導(dǎo)通，則輸出電壓為5V。圖1-5 Rx/V與雙限比較器連接圖比較器的輸出信號(hào)要驅(qū)動(dòng)單片機(jī)和74LS138的端口，所以應(yīng)該在輸出信號(hào)后加上一個(gè)電壓跟隨器，增加帶負(fù)載能力。圖1-6 電壓跟隨器同時(shí)，電壓U也是與ADC0809相連。ADC0809所接收的信號(hào)是0-5V的電壓，所以電壓U還應(yīng)該接上一個(gè)電壓跟隨器和穩(wěn)壓管，保證當(dāng)U為0-5V時(shí)，ADC0809收到的信號(hào)是原信號(hào)，當(dāng)U大于5V時(shí)，ADC0809接收的是5V信號(hào)，有效地保護(hù)了ADC0809。1.2.3量程控制電路由于本設(shè)計(jì)要求量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，所以選擇了CD4051模擬開(kāi)關(guān)作為選擇參考電阻R0

15、，設(shè)計(jì)這個(gè)量程轉(zhuǎn)換的目的是為了能使Rx小于R0。在總體設(shè)計(jì)圖中我已經(jīng)指出只有當(dāng)單片機(jī)的P2.1口接受到的是低電平的時(shí)候，才開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；但由于Rx有可能大于R0，所以輸出的電壓可能會(huì)是一個(gè)高電平，ADC0809將不進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將開(kāi)始控制量程轉(zhuǎn)換，這樣就能使Rx小于R0。圖1-7為CD4051引腳功能，CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來(lái)決定。 “INH”是禁止端，當(dāng)“INH”=1時(shí)，各通道均不接通。此外，CD4051還設(shè)有另外一個(gè)電源端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號(hào)能直

16、接控制這種多路開(kāi)關(guān)，并使這種多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰峰值達(dá)15V的交流信號(hào)。圖1-7 CD4051引腳圖例如，若模擬開(kāi)關(guān)的供電電源VDD=5V，VSS=0V，當(dāng)VEE=5V時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加05V的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度范圍為5V5V的模擬信號(hào)。多路模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻Ron（一般為數(shù)10至1K左右）比機(jī)械開(kāi)關(guān)的接觸電阻（一般為m量級(jí)）大得多，對(duì)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的信號(hào)傳輸精度或程控增益放大的增益影響較明顯，而且Ron通常隨電源電壓高低、傳輸信號(hào)的幅度等的變化而變化，因而其影響難以進(jìn)行后期修正。實(shí)踐中一般是設(shè)法減小Ron來(lái)降低其影響。以CD4051的Ron隨電源電壓和輸入模擬電壓的變化而變化。當(dāng)VD

17、D=5V、VEE=0V時(shí)，Ron280，且隨Vi的變化突變；當(dāng)VDD10V、VEE=0V時(shí)，Ron100，且隨Vi的變化緩慢?？梢?jiàn)，適當(dāng)提高CD4051的VDD有利于減小Ron的影響。例如：取VDD=12V（VEE =0V），可采用電源電壓上位箝位的方法，上拉電阻的阻值取1.5K以上，使選通控制端信號(hào)的有效高電平不低于6V。這樣，既保證CD4051理想導(dǎo)通Ron小，又實(shí)現(xiàn)CMOS電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用三路基準(zhǔn)電阻1K，100K，1M。根據(jù)x =(E/ R0) Rx，所以測(cè)量范圍為0-1000，1K-100K，100K-10M，范圍覆蓋常用電阻。圖1-8 量程轉(zhuǎn)換電路上圖為具體的量程

18、轉(zhuǎn)換電路，在上圖中我們把3腳作為輸出腳，根據(jù)CD4051 的真值表可得，當(dāng)管腳9、10、11為0、0、0時(shí)，系統(tǒng)選通13腳，即R0為1K；當(dāng)管腳9，10，11為001時(shí)，系統(tǒng)選通14腳，即R0為100K；當(dāng)管腳9，10，11為010時(shí)，系統(tǒng)選通15腳，即R0為10M。這里的管腳10、11是由單片機(jī)的P2.2，P2.3控制的。1.2.4 量程顯示電路本設(shè)計(jì)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的要求是經(jīng)過(guò)具體的實(shí)物來(lái)表示所測(cè)量的電阻是在哪一量程，所以采用了74LS138來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。如圖1-9，采用3中不同顏色的發(fā)光二極管綠，黃，紅分別表示*1，*100，*10000三個(gè)量程。也就是說(shuō)，當(dāng)你讀一個(gè)電阻時(shí)，先讀出LE

19、D上顯示的讀數(shù)，再看發(fā)光二極管，乘以相應(yīng)的數(shù)，這就是所測(cè)電阻的讀數(shù)?？刂莆慌c單片機(jī)P2.2，P2.3相連，由軟件判斷。圖1-9 量程顯示電路從這個(gè)圖上看出，當(dāng)管腳3、2、1為1、0、0的時(shí)候，系統(tǒng)選通11腳，VD1發(fā)光，當(dāng)管腳3、2、1為1、0、1的時(shí)候，系統(tǒng)選通10腳，VD2發(fā)光，當(dāng)管腳3、2、1為1、1、0的時(shí)候，系統(tǒng)選通9腳，VD3發(fā)光。1.2.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路總原理圖具體電路圖如1-10所示，被測(cè)電阻經(jīng)過(guò)Rx/V轉(zhuǎn)換電路后，輸出一個(gè)范圍是0-12V的電壓，當(dāng)Rx大于R0時(shí)，輸出電壓為運(yùn)放的極限電壓12V，當(dāng)Rx小于R0時(shí)，輸出電壓的范圍是0-5V，這個(gè)電壓是根據(jù)Ux=-ERx/ R0計(jì)

20、算得來(lái)的。將這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)雙限比較器比較后得到一個(gè)高低電平給單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)的P2.1口接受到的是高電平的時(shí)候，單片機(jī)開(kāi)始控制量程轉(zhuǎn)換，將被測(cè)電阻轉(zhuǎn)換到適合它的量程R0的范圍內(nèi)，這樣在經(jīng)過(guò)Rx/V轉(zhuǎn)換和雙限比較以后，單片機(jī)接受到的是一個(gè)低電平的信號(hào)，這樣A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。圖1-10 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路1.3 數(shù)據(jù)采集、處理、顯示部分本設(shè)計(jì)要求采用單片機(jī)的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程，數(shù)據(jù)處理和顯示等，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的智能化。此系統(tǒng)分三部分：數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)顯示部分。1.3.1 數(shù)據(jù)采集部分在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常需要將檢測(cè)到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，才能輸入

21、到單片機(jī)進(jìn)行處理，這種將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有許多新一代的單片機(jī)已經(jīng)在片內(nèi)集成了多路的A/D轉(zhuǎn)換通道和PWM輸出，大大簡(jiǎn)化了連接電路和編程工作，但這類(lèi)CPU芯片大多價(jià)格較貴。當(dāng)前能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的芯片型號(hào)很多，但是它們?cè)诰?、速度和價(jià)格上的差別也很大。ADC0809在精度和價(jià)格等方面都屬中等，這對(duì)于一般實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)講是合適的。ADC0809是逐次逼近式八位A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開(kāi)關(guān)，可對(duì)八路模擬電壓量實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換，典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us。片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連接。ADC0809的引腳圖和規(guī)格：引腳圖如下

22、：圖1-11 ADC0809引腳圖1) IN0IN7：8路模擬信號(hào)輸入端。2）ADDc、ADDb、ADDa：3位地址碼輸入端。8位模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換選擇由A、B、C決定。A位為低位，C位為高位。與低八位地址中A0A2連接。由A0A2地址000111選擇IN0IN7的8路A/D通道。3）CLK：外部時(shí)鐘輸入端。時(shí)鐘頻率越高，A/D轉(zhuǎn)換速度越快。允許范圍為101280KHZ，典型值為640KHZ，此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us。4） D0D7：八路數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線。5） OE：A/D轉(zhuǎn)換完畢輸出線，其上跳沿表示A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部已經(jīng)轉(zhuǎn)換結(jié)束。 6） ALE：地址鎖存允許信號(hào)。8路模擬

23、通道地址由A、B、C輸入，在0809的ALE信號(hào)有效時(shí)將該8路地址鎖存。7） START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換輸入線，該信號(hào)的上升沿，可將地址選擇信號(hào)A，B，C鎖入地址寄存器內(nèi)。8） EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)啟動(dòng)0809A/D轉(zhuǎn)換后，EOC輸出低電平；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC輸入高電平，表示可以讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。根據(jù)讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果的方式，此信號(hào)可用三種方式和單片機(jī)相連。1延時(shí)方式：EOC懸空，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換并延時(shí)100 us后讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。2查詢(xún)方式：EOC接單片機(jī)端口線，查到EOC變高，讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，作為查詢(xún)信號(hào)。3中斷方式：EOC經(jīng)非門(mén)接單片機(jī)的中斷請(qǐng)求端，將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)向單片機(jī)提出中斷申請(qǐng)

24、，在中斷服務(wù)中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。9） VCC：正電源電壓（+5V）。GND為接地端。1.3.2 數(shù)據(jù)處理部分本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷就是以單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理功能，所以關(guān)鍵就是對(duì)單片機(jī)的選擇。單片機(jī)從誕生至今已經(jīng)產(chǎn)生了許多種，新品種的也是層出不窮，從最初INTEL的MCS-51到PIC系列，以及最近新推出的AVR，ARM等，品種繁多，功能各異，特別是ATMEL公司的89系列FLASH單片機(jī)，運(yùn)用更是廣泛。而且各種技術(shù)參考資料相對(duì)也較多。通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)所需資源的分析，決定選用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)是北京集成電路設(shè)計(jì)中心在MCS- 51 單片機(jī)的基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì), 由美國(guó)生產(chǎn)

25、的至今為止世界上最新型的高性能八位單片機(jī)。首先還是先介紹一下AT89C51的特點(diǎn)：l AT89C51與MCS251系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容。l 片內(nèi)有4k 字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫(xiě)程序存儲(chǔ)器。l 全靜態(tài)工作, 工作范圍: 0Hz 24MHz。l 三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密。l 1288 位內(nèi)部RAM。l 32 位雙向輸入輸出線。l 兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。l 五個(gè)中斷源, 兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)l 一個(gè)全雙工的異步串行口。l 間歇和掉電工作方式。功能描述：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器, 片內(nèi)有4K字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫(xiě)程序存儲(chǔ)器, 能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1000次，

26、數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS251系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容, 不僅可完全代替MCS251系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS251系列單片機(jī)沒(méi)有的功能。AT89C51系列單片機(jī)可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng),縮小系統(tǒng)體積, 增加系統(tǒng)的可靠性, 降低了系統(tǒng)成本。只要程序長(zhǎng)度小于4k, 四個(gè)I/O口全部提供給用戶。可用5V 電壓編程, 而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需10 毫秒，僅為87C51的擦除時(shí)間的百分之一。與87C51的12V電壓相比，不易損壞器件，沒(méi)有兩種電源的要求, 改寫(xiě)時(shí)不拔下芯片, 適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬2.76V，全靜態(tài)工作, 工作頻率寬, 在0Hz 24MHz

27、內(nèi), 比87C51等51系列的6MHz12MHz 更具有靈活性, 系統(tǒng)能快能慢。AT89C51芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密, 提供了方便靈活而可靠的加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外，AT89C51系列單片機(jī)還具有MCS251系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，1288位內(nèi)部RAM，32位雙向輸入輸出線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)時(shí)器，5個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。管腳功能：AT89C51單片機(jī)為40腳芯片，下面是AT89C51單片機(jī)的引腳圖：圖1-12 AT89C51的引腳圖MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有P0，P1，P2，P3四個(gè)8位雙向I/O口，因此，外設(shè)可直接連接于這幾個(gè)

28、接口上，而無(wú)須另加接口芯片。P0-P3的每個(gè)端口可以按字節(jié)輸入或輸出，也可以按位進(jìn)行輸入或輸出，共32根口線，用作位控制十分方便。P0口：具有雙重功能：首先可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備；然后在有外接存儲(chǔ)器和I/O接口時(shí)常作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線，即低8位地址與數(shù)據(jù)線分時(shí)使用P0口。P1 口：具有單一接口功能，P1口每一位都能作為可編程的輸入或輸出口線。P2口：具有雙重功能：首先可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備；然后在有外接存儲(chǔ)器和I/O接口時(shí)，作為系統(tǒng)的地址總線，輸出高8位地址，與P0口低8位地址一起組成16位地址總線。P3口：為雙重功能：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸

29、出設(shè)備；作為第二功能使用時(shí)，每一位功能定義如表1所示：表1 P3口的第二功能1) 控制口線: PSEN (片外取控制)、AL E( 地址鎖存控制)、EA (片外儲(chǔ)器選擇)、RE2SET (復(fù)位控制)。2) 電源及時(shí)鐘: Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2工作模式：AT89C51有間歇和掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來(lái)設(shè)置的, 當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時(shí)，CPU可根據(jù)工作情況適時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài), 內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變，這種狀態(tài)可被任何一個(gè)中斷所終止或通過(guò)硬件復(fù)位。掉電模式是Vcc電壓低于電源下限, 振蕩器停振, CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值

30、保持不變, 直到掉電模式被終止。只有Vcc電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過(guò)硬件復(fù)位掉電模式可終止。1.3.3 數(shù)據(jù)采集與處理部分的工作原理ADC0809與89C51的電路連接如圖1-13所示：圖1-13 ADC0809與單片機(jī)AT89C51電路連接從圖1-13中，89C51的P2.1口接受到的是高電平信號(hào)時(shí)，P2.3和P2.2開(kāi)始工作，進(jìn)行對(duì)CD4051的控制，量程開(kāi)始轉(zhuǎn)換，同時(shí)P2.2和P2.3還連接到74LS138的1和2腳，顯示量程在哪一擋位；如果89C51的P2.1口接受到的是低電平信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，ADC0809的26腳輸入一個(gè)0-5V之間的模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成

31、二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)P0口給單片機(jī)，數(shù)字電壓經(jīng)軟件編程，換算成電阻數(shù)據(jù)。1.3.4 數(shù)據(jù)顯示部分在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，如果需要顯示的內(nèi)容只是數(shù)字和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口的連接非常簡(jiǎn)單。當(dāng)要求顯示位數(shù)較多時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低硬件成本，通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示電路。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示電路就是將顯示各位的所有相同字段連在一起，每一位的a段連在一起 ，b段連在一起g段連在一起，共八段，由一個(gè)八位I/O口控制，而每一位的公共端由另一個(gè)I/O口控制，如圖1-14所示。這種連接方式由于將多位字段線連在一起，當(dāng)輸出字段碼時(shí)，由于多位同時(shí)選

32、通，每一位將顯示相同的內(nèi)容。因此，要想顯示不同的內(nèi)容，必須采取輪流顯示的方式。即在某一瞬間，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)（共陰極LED數(shù)碼管為低電平，共陽(yáng)極為高電平），其他各位的字位線處于開(kāi)短狀態(tài)，同時(shí)字位線上輸出這一位相應(yīng)要顯示字符的字段碼。在這一瞬時(shí)，只有這一位在顯示，其他幾位暗。同樣在下一瞬時(shí)，單獨(dú)顯示下一位，這樣依次輪流顯示，循環(huán)掃描。圖1-14 動(dòng)態(tài)顯示LED數(shù)碼管連接方式1.3.5 數(shù)據(jù)采集、處理、顯示部分的總電路圖下圖為數(shù)據(jù)采集，處理，顯示的總電路圖：圖1-15 數(shù)據(jù)采集，處理，顯示的總電路圖2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為初始化程序，主程序，顯示子程

33、序和模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試子程序，量程轉(zhuǎn)換子程序。每個(gè)功能模塊對(duì)于整體設(shè)計(jì)都是非常重要的，單片機(jī)AT89C51通過(guò)軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來(lái)。下面，就整體設(shè)計(jì)以及每個(gè)單元功能模塊分別進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。其流程圖如圖2-1所示：初始化接受量程控制信號(hào)控制模擬開(kāi)關(guān)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理LED顯示圖2-1 主程序流程圖3數(shù)據(jù)的測(cè)量與誤差分析0-1000量程測(cè)量數(shù)據(jù)表3-1 R1=R2=，0-1000量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=R2=（單位）標(biāo)稱(chēng)值101327100220360510620680910真 值10.313.927100.3224.4359505617693929測(cè)量值6.39.321.392.4201.4310

34、.8482592606845誤 差-38-33-21-7.8-10-13-4.4-4-12-9圖3-1 R1=R2=，0-1000量程誤差表表3-2 R1=51K，R2=510，0-1000量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=51K，R2=510（單位）標(biāo)稱(chēng)值101327100220360510620680910真 值10.313.927100.3224.4359505617693929測(cè)量值7.511.820.488.4191.4307.6456550582805誤 差-27-15-24-11-14-14-4.4-9.5-16-13圖3-2 R1=51K，R2=510，0-1000量程誤差表3-3 R1=51

35、0，R2=51K，0-1000量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=510，R2=51K（單位）標(biāo)稱(chēng)值101327100220360510620680910真 值10.313.927100.3224.4359505617693929測(cè)量值5.711.821.882.4188.4302.6450561580798誤 差-44-15-19-17-16-15-10-9-16-14圖3-3 R1=510，R2=51K，0-1000量程誤差表3-4 R1=1K，R2=10K，0-1000量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=1K，R2=10K（單位）標(biāo)稱(chēng)值101327100220360510620680910真 值10.313.927100.

36、3224.4359505617693929測(cè)量值5.711.822.883.4186.1302.6449561578801誤 差-44-15-15-16-17-15-10-9-16-13圖3-4 R1=1K，R2=10K，0-1000量程誤差表3-5 R1=10K，R2=1K，0-1000量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=10K，R2=1K（單位）標(biāo)稱(chēng)值101327100220360510620680910真 值10.313.927100.3224.4359505617693929測(cè)量值5.711.822.883.4186.4302.6449561578802誤 差-44-15-15-16-17-15-10-

37、9-16-13圖3-5 R1=10K，R2=1K，0-1000量程誤差說(shuō)明：測(cè)量值為本測(cè)量?jī)x所測(cè)的阻值，真值為數(shù)字萬(wàn)用表所測(cè)的阻值。R1,R2為兩臂電阻，參考圖1-2所示。誤差=（測(cè)量值-真值）/真值*100%誤差分析：1. 選用的是0-1000的測(cè)量范圍，基準(zhǔn)電阻選用510，在這個(gè)電阻附近的誤差較小，但是不明顯。2. 兩邊電阻的誤差較大，電隔離效果不明顯。1K-100K量程測(cè)量數(shù)據(jù)：表3-6 R1=R2=，1K-100K量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=R2=（單位K）標(biāo)稱(chēng)值1.123.616335156687582真 值1.071.993.5716.0433.349.756.16674.383.1測(cè)量值1

38、.181.573.1415.6933.7350.2566875.680.1誤 差10-21-12-21.2102.21.8-3.6圖3-6 R1=R2=，1K-100K測(cè)量誤差表3-7 R1=51K，R2=510，1K-100K量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=51K，R2=510（單位K）標(biāo)稱(chēng)值1.123.616335156687582真 值1.071.993.5716.0433.349.756.16674.383.1測(cè)量值1.181.733.1416.0834.1250.5957.66875.683.1誤 差10-13-1.10.22.51.82.72.31.90圖3-7 R1=51K，R2=510，1K

39、-100K量程誤差表3-8 R1=510，R2=51K，1K-100K量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=510，R2=51K（單位K）標(biāo)稱(chēng)值1.123.616335156687582真 值1.071.993.5716.0433.349.756.16674.383.1測(cè)量值1.171.733.5316.0834.1250.5957.66875.683.1誤 差10-13-1.10.242.41.82.82.31.90圖3-8 R1=510，R2=51K，1K-100K測(cè)量誤差表3-9 R1=1K，R2=10K，1K-100K量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=1K，R2=10K（單位K）標(biāo)稱(chēng)值1.123.616335156687

40、582真 值1.071.993.5716.0433.349.756.16674.383.1測(cè)量值1.181.533.5317.0836.0851.7360.27174.685.1誤 差10-23-1.1684770.42.4圖3-9 R1=1K，R2=10K，1K-100K測(cè)量誤差表3-10 R1=10K，R2=1K，1K-100K量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=10K，R2=1K（單位K）標(biāo)稱(chēng)值1.123.616335156687582真 值1.071.993.5716.0433.349.756.16674.383.1測(cè)量值1.181.553.5317.1836.0851.7360.27174.485.1

41、誤 差10-23-1.1684770.42.4圖3-10 R1=10K，R2=1K，1K-100K測(cè)量誤差說(shuō)明：測(cè)量值為本測(cè)量?jī)x所測(cè)的阻值，真值為數(shù)字萬(wàn)用表所測(cè)的阻值。R1,R2為兩臂電阻，參考圖1-2所示誤差=（測(cè)量值-真值）/真值*100%誤差分析：1. 選用的是1K-100K量程范圍，基準(zhǔn)電阻選用51K，當(dāng)R1為51K，R2為510和R1為510，R2為51K時(shí)，基準(zhǔn)電阻附近電阻誤差很小，隔離效果不錯(cuò)。2. 選用R1為10K，R2為1K和R1為1K，R2為10K時(shí)，基準(zhǔn)電阻附近電阻誤差比其前兩組數(shù)據(jù)略為偏大，隔離效果一般。3. 在這個(gè)量程范圍的電阻誤差總體都保持在10%之內(nèi)，電隔離效果明

42、顯。100K-10M量程測(cè)量數(shù)據(jù)：表3-11 R1=R2=，100K-10M量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=R2=（單位M）標(biāo)稱(chēng)值0.110.560.821233.66.28.29.1真 值0.100.550.830.9932.033.013.56.138.39.2測(cè)量值0.140.570.861.022.073.023.66.358.38.7誤 差403.63.62.71.903.63.50-5.7圖3-11 R1=R2=，100K-10M測(cè)量誤差表3-12 R1=51K，R2=510，100K-10M量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=51K，R2=510（單位M）標(biāo)稱(chēng)值0.110.560.821233.66.28.29

43、.1真 值0.100.550.830.9932.033.013.56.138.39.2測(cè)量值0.140.660.921.152.313.254.17.058.99.6誤 差40199.915137.917156.64.8圖3-12 R1=51K，R2=510，100K-10M測(cè)量誤差表3-13 R1=510，R2=51K，100K-10M量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=510，R2=51K（單位M）標(biāo)稱(chēng)值0.110.560.821233.66.28.29.1真 值0.100.550.830.9932.033.013.56.18.39.2測(cè)量值0.140.660.921.152.313.254.17.08.99.6誤 差40199.915137.917156.64.8圖3-13 R1=510，R2=51K，100K-10M測(cè)量誤差表3-14 R1=1K，R2=10K，100K-10M量程測(cè)量數(shù)據(jù)R1=1K，R2=10K（單位M）標(biāo)稱(chēng)值0.110.560.821233.66.28.29.1真 值0.100.550.830.9932.033.013.56.18.39.2測(cè)量值0.140.620.981.212.213.193.86.88.89.5誤 差401211.1178.85.98.4115.63.2圖3-14 R1=1K，R2=10K，100K-10M測(cè)