電阻測量系統(tǒng)設(shè)計說明

..《電子系統(tǒng)設(shè)計》課程設(shè)計題目：電阻測量系統(tǒng)設(shè)計自動電阻測試儀[摘要]本簡易自動電阻測試儀具有手動四檔及自動三檔量程轉(zhuǎn)換電阻測試功能,以單片機為控制核心,使用儀表運放來精確采集被測電阻兩端電壓,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,以便單片機進行處理。最后通過LCD12864液晶顯示出結(jié)果,能自動顯示小數(shù)點和單位；并且該裝置具有電阻自動篩選和自動測量顯示電位器變化曲線的功能。實驗結(jié)果表明,本系統(tǒng)完全達到設(shè)計要求,多項指標優(yōu)于題目要求。[主要技術(shù)]<1>通過編程來實現(xiàn)對電阻值的直接測量<2>12位A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)〔3>量程轉(zhuǎn)換技術(shù)〔4液晶顯示器的有效應(yīng)用〔5串并轉(zhuǎn)換技術(shù)〔6>通過單片機控制電機實現(xiàn)對電位器的自動控制[關(guān)鍵詞]模數(shù)轉(zhuǎn)換；自動量程轉(zhuǎn)換；INA114；電阻；MCU；液晶顯示；目錄一、系統(tǒng)方案41.1設(shè)計要求41.1.1任務(wù)41.1.2要求41.2總體方案51.2.1方案論證與比較5系統(tǒng)組成5二、理論計算與電路分析62.1電阻測量原理6測量電路6基準電壓電路72.2自動量程轉(zhuǎn)換與篩選的設(shè)計72.2.1自動量程轉(zhuǎn)換72.2.2篩選功能82.3電位器阻值變化曲線裝置的設(shè)計8三、電路與程序設(shè)計83.1電路設(shè)計與分析83.1.1電源模塊83.1.2測量及轉(zhuǎn)換模塊93.1.3控制顯示模塊103.1.4輔助裝置103.2程序流程圖設(shè)計11四、系統(tǒng)測試方案與結(jié)果134.1測試條件134.2測試方案134.3測試結(jié)果及分析13五、結(jié)論和系統(tǒng)特色14一、系統(tǒng)方案1.1設(shè)計要求1.1.1任務(wù)設(shè)計并制作一臺簡易自動電阻測試儀。1.1.2要求〔1基本要求①測量量程為100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四檔。測量準確度為±〔1%讀數(shù)＋2字。②3位數(shù)字顯示〔最大顯示數(shù)必須為999,能自動顯示小數(shù)點和單位,測量速率大于5次/秒。③100Ω、1kΩ、10kΩ三檔量程具有自動量程轉(zhuǎn)換功能?！?發(fā)揮部分①具有自動電阻篩選功能。即在進行電阻篩選測量時,用戶通過鍵盤輸入要求的電阻值和篩選的誤差值；測量時,儀器能在顯示被測電阻阻值的同時,給出該電阻是否符合篩選要求的指示。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)角度變化曲線的輔助裝置,要求曲線各點的測量準確度為±〔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。輔助裝置連接的示意圖如圖1所示。③其他圖SEQ圖\*ARABIC1輔助裝置連接的示意圖1.2總體方案1.2.1方案論證與比較〔1電阻信號的采集方案一：恒流法恒流法的依據(jù)是信號源內(nèi)阻為無窮大,電流恒定。此特性對于測量本題中小于10kΩ的電阻有較高的精度,但在測量阻值較高的電阻時,一方面被測電阻的壓降過大,有可能進入非線性區(qū)；另一方面,實際電流源的內(nèi)阻不可能為無窮大,大阻值的電阻已接近電流源的內(nèi)阻,此時電流源內(nèi)阻的分流已不能忽略,從而影響測量精度。方案二：恒壓法恒壓法的依據(jù)是信號源內(nèi)阻為0,電壓恒定,此特性對測量中高阻值電阻有較高的精度,但測量較小阻值電阻時也會存在一定的誤差。方案選擇：本設(shè)計偏重于中高阻值電阻的測量,故選方案二,并且通過與標準電阻串聯(lián)分壓方式減少測量小電阻時的誤差?！?自動量程的轉(zhuǎn)換方案一：采用多量程開關(guān)MPC509切換不同阻值的標準電阻。優(yōu)點：易于控制,電路簡單。缺點：器件本身有1kΩ電阻,對測量結(jié)果有較大影響。方案二：采用繼電器來切換標準電阻。優(yōu)點：器件無電阻,對測量結(jié)果影響小,易于控制。缺點：電路稍顯復(fù)雜,切換有響聲。方案選擇：本設(shè)計要求準確度達到,故采用方案二?！?信號轉(zhuǎn)換方案一：采用單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單。缺點：轉(zhuǎn)換速度慢,干擾大,準確度達不到要求。方案二：外接12位ADS805A/D轉(zhuǎn)換器。優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度快,準確度高。缺點：外圍電路復(fù)雜,占用較多的I/O口。方案選擇：本設(shè)計側(cè)重于高準確度,因此采用方案二。1.2.2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2系統(tǒng)框圖二、理論計算與電路分析2.1電阻測量原理2.2.1測量電路采用串聯(lián)電阻分壓的方式來確定測量電阻,如圖3所示。根據(jù)歐姆定理可知,只需測出兩端電壓和流過它的電流就可計算出。由圖３可知,使用了TI公司生產(chǎn)的儀表放大器INA114測量的值,,測出的值即可知被測電阻值。INA114是一種通用儀用放大器,尺寸小、精度高、價格低廉,可用于電橋、熱電偶、數(shù)據(jù)采集、RTD傳感器和醫(yī)療儀器等。INA114只需一個外部電阻就可以設(shè)置1至10000之間的任意增益值,內(nèi)部輸入保護能夠長期耐受±40V,失調(diào)電壓低〔50μV,漂移小〔0.25μV/℃,共模抑制比高〔G=1000時為50dB,用激光進行調(diào)整,可以在±2.25V的電壓下工作,使用電池〔組或5V單電源系統(tǒng),靜態(tài)電流最大為3mA。INA114采用8引腳塑料封裝或SOL-16表面封裝貼件,使用環(huán)境溫度為-40℃～+85℃。圖SEQ圖\*ARABIC3測量電路2.1.2基準電壓電路為了使測量更精準,必須提供準確穩(wěn)定的+5V電壓。因此采用三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓管TL431構(gòu)成+5V串聯(lián)穩(wěn)壓器。輸出電壓電路如圖4所示。XX儀器公司〔TI生產(chǎn)的TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。其輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf〔2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω,TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價格低,因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。圖SEQ圖\*ARABIC4+5V基準電壓電路圖5量程轉(zhuǎn)換電路2.2自動量程轉(zhuǎn)換與篩選的設(shè)計2.2.1自動量程轉(zhuǎn)換自動量程轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)由單片機檢測值的大小來切換相應(yīng)檔位的繼電器是否導(dǎo)通,從而實現(xiàn)電阻測量量程的自動轉(zhuǎn)換,電路如圖5所示。自動量程采用由高位檔向低位檔逐檔比較的切換方式。當由手動量程轉(zhuǎn)換切到自動量程轉(zhuǎn)換測量時,繼電器自動切換到10kΩ檔位,當測試出的＞2.500V時〔即被測電阻≥10kΩ,則超出自動測量范圍,并顯示"超出量程"；當0.476V≤＜2.500V時〔即1kΩ≤被測電阻＜10kΩ,則檔位不變,并顯示測量電阻值；當＜0.476V時<即被測電阻＜1kΩ>,則檔位切換到1kΩ檔位。當切換到1kΩ檔位時,再次檢測值,當測得0.476V≤時〔即被測電阻≥100Ω,則檔位不變,并顯示測量電阻值；當測得＜0.476V時〔即被測電阻＜100Ω,則檔位切換到100Ω檔位。當切換到100Ω檔位時,則直接顯示測量電阻值。2.2.2篩選功能篩選功能先計算出設(shè)定阻值的范圍,假設(shè)要求的電阻值為,誤差值為,則電阻篩選范圍為〔－~〔＋。測量時將電阻測試儀調(diào)到自動檔,測量出被測電阻的阻值,然后判斷是否在篩選范圍里,若在此范圍則顯示篩選符合要求并顯示具體阻值,否則顯示不符合篩選要求。2.3電位器阻值變化曲線裝置的設(shè)計將小型直流電機的轉(zhuǎn)軸與4.7kΩ旋轉(zhuǎn)式單圈電位器相連,從電位器引出兩點用于測量顯示,為了能準確顯示被測電位器阻值從0~4.7kΩ的變化,本裝置在電位器的零歐姆位置安裝了行程開關(guān),用于控制電位器從零開始變化。三、電路與程序設(shè)計3.1電路設(shè)計與分析從整體來看,本測試儀由供電系統(tǒng)〔即電源模塊、電阻測量及量程轉(zhuǎn)換模塊、控制運算及顯示模塊。3.1.1電源模塊電源電路如圖6所示,采用LM317和LM337來輸出±12V、±8V、+5V。LM317和LM337輸出電壓精度更高。+5V用于給單片機供電；+8V經(jīng)過TL431穩(wěn)壓成標準的+5V提供測量電阻的基準電壓。+5V用于ADS805供電?！?2V用于儀表運放INA114供電。圖6電源電路3.1.2測量及轉(zhuǎn)換模塊電阻值測量電路及自動量程轉(zhuǎn)換電路,如圖7所示。用紅黑表筆測量被測電阻,得出并送入單片機,即顯示出相應(yīng)阻值。通過單片機輸出的控制信號來調(diào)節(jié)繼電器KM的切換,進而控制了量程的轉(zhuǎn)換。圖7測量及量程轉(zhuǎn)換電路3.1.3控制顯示模塊單片機控制顯示模塊如圖8所示,控制電路采用外接AD,單片機內(nèi)部自帶的AD只有10位,不能滿足本設(shè)計中對準確度1%的要求,因此采用外接12位的ADS805。采集的電壓信號經(jīng)過OPA2209跟隨到AD中,使用OPA2209起到輸入阻抗的變換,減小AD對信號的影響。由于控制采集信號需要大量I/O口,導(dǎo)致單片機的接口不夠用,因此在顯示電路部分,采用了兩個74HC595來節(jié)省顯示部分的接口。74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件,具有8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器、一個存儲器和三態(tài)輸出功能。圖8單片機控制及顯示模塊3.1.4輔助裝置輔助裝置是將小型直流電機的轉(zhuǎn)軸與4.7kΩ旋轉(zhuǎn)式單圈電位器相連,從電位器引出兩點用于自動測量顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化的曲線。由于單片機輸出的信號不能驅(qū)動電機,因此在電路設(shè)計中采用TA8428K驅(qū)動直流電機,如圖9所示。東芝雙極型線性集成電路TA8428K用于電機旋轉(zhuǎn)控制,電機的正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn),停止和制動操作可供選擇,具有熱關(guān)斷和短路電流保護等功能,輸出電流的峰值為3.0A。圖9輔助裝置連接電路圖3.2程序流程圖設(shè)計程序設(shè)計的總體思路如圖10所示。圖SEQ圖\*ARABIC6程序流程圖四、系統(tǒng)測試方案與結(jié)果4.1測試條件〔1儀器UT60D三位半數(shù)字萬用表 一臺UT71A四位半數(shù)字萬用表 一臺〔2環(huán)境條件測試環(huán)境溫度在26℃左右。4.2測試方案將自動電阻測試儀分別調(diào)到100Ω檔、1kΩ檔、10kΩ檔和10MΩ檔測量量程范圍內(nèi)的不同阻值的電阻,并記錄結(jié)果。然后用四位半數(shù)字萬用表分別測量被測電阻的阻值,利用公式求出準確度。4.3測試結(jié)果及分析不同檔位的電阻測試結(jié)果如表1所示,通過測試數(shù)據(jù)可知,其測量準確度達到設(shè)計要求,能自動顯示小數(shù)點和單位,測量速度遠遠大于5次/秒,并實現(xiàn)了100Ω檔、1kΩ檔和10kΩ檔三個檔的量程自動轉(zhuǎn)換功能。表SEQ表\*ARABIC1不同檔位準確度測試結(jié)果測量值實際值準確度<%>平均準確度<%>100Ω檔/Ω98.298.73﹣0.53﹣0.5010.911.00﹣0.9074.274.26﹣0.081kΩ檔/kΩ0.9910.98900.200.530.5340.53180.400.2010.19901.0010kΩ檔/kΩ9.139.0870.470.541.191.18600.334.684.6410.8410MΩ檔/MΩ0.9910.98900.200.634.854.8850.719.829.921.00自動電阻篩選測試結(jié)果如表2所示,測量時該測試儀能在顯示被測電阻阻值的同時,給出該電阻是否符合篩選要求的指示,經(jīng)測試完全符合設(shè)計要求。表SEQ表\*ARABIC2自動篩選測試結(jié)果設(shè)定值誤差值測量值是否符合要求175Ω±0.574.2Ω不符合275Ω±174.2Ω符合3240Ω±2237Ω不符合4240Ω±5237Ω符合55.1kΩ±305.01kΩ不符合65.1kΩ±405.01kΩ符合當切換到輔助裝置測試功能時,電機驅(qū)動電位器自動復(fù)位〔0Ω,然后開始測量。電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線測試結(jié)果如圖11所示,隨旋轉(zhuǎn)角度的變化,依次采集并顯示電位器的阻值,全程共采集16個點,其測量準確度基本滿足要求。圖SEQ圖\*ARABIC7電位器阻值變化曲線結(jié)果五、結(jié)論和系統(tǒng)特色①本系統(tǒng)的測量量程為1