單片機(jī)典型案例開發(fā)（五）

一、基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的小電阻測(cè)試儀

　　1、引言

　　在電路測(cè)試過程中常常會(huì)碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大誤差，從而影響測(cè)試效果。例如電感器、變壓器中往往存在銅電阻，地鐵鐵軌的電阻;由于其數(shù)值較小，一般的指針萬用表無法測(cè)量出來;通常實(shí)驗(yàn)室里會(huì)用電橋進(jìn)行測(cè)量，但電橋操作手續(xù)較煩，又不能直接讀出被測(cè)電阻阻值。鑒于此，我們采用了單片機(jī)，利用單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了該測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x可直接從LCD顯示屏上讀出所測(cè)得的電阻值，測(cè)量范圍為10μΩ～2.9999kΩ，同時(shí)可以把測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，然后經(jīng)串行口送入上位機(jī)，通過上位機(jī)的強(qiáng)大功能，可以對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。該測(cè)試儀的測(cè)量精度高達(dá)±0.1%，并采用四端測(cè)量法，電阻值不受引線長(zhǎng)短及接觸電阻的影響。不僅測(cè)量簡(jiǎn)便，讀數(shù)直觀，且測(cè)量精度、分辨率也高于一般電橋?？捎糜趯?shí)驗(yàn)室、研究所，尤其適用于工作現(xiàn)場(chǎng)。

　　2、測(cè)試原理

　　如上圖本機(jī)的基本原理是采用在被測(cè)電阻上通過已知的恒定電流，取出被測(cè)電阻上的壓降，經(jīng)放大器放大轉(zhuǎn)換為0～3V直流電壓，然后送入C8051F005A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，經(jīng)單片機(jī)處理，最后經(jīng)過液晶顯示器直接顯示電阻阻值。

　　由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電阻的測(cè)量，所以要求放大器的分辨率高（高潮達(dá)10μV），線性度好，輸入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2中信號(hào)處理電路所示的差動(dòng)放大器。此放大器由運(yùn)放A1、A2組成第一級(jí)差分式電路，A3組成第二級(jí)差分式電路，R3、R4、RW組成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故有較高的輸入阻抗，且A1、A2都選同相端作為輸入端，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再經(jīng)過A3組成的差分式電路，可以互相抵消，故它有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓;A4是電壓反向跟隨器，其作用是使前后級(jí)隔離。分析此電路可得下列方程。

　　當(dāng)R5= R7、R6= R8時(shí)，上述方程化簡(jiǎn)可得：

　　從（3）式知輸出電壓U4與被測(cè)電阻RX成正比。放大器的倍數(shù)由R3、R4、RW而定，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～3V，本儀器設(shè)置放大器的放大倍數(shù)為10倍，在U4端得到0～3V的直流電壓。為了保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，除上述電路本身優(yōu)點(diǎn)外，集成運(yùn)放A1、A2、A3選用了高精度、低噪聲、低漂移的max495，反饋支路的電阻均選用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。測(cè)試時(shí)被測(cè)電阻與測(cè)試儀器間采用四端接線法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測(cè)量時(shí)用四根專用導(dǎo)線與被測(cè)電阻Rx連接，當(dāng)被測(cè)電阻較小時(shí)，為了避免導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響，四根連接導(dǎo)線要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。

　　3、小電阻測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)

　　該儀器的核心部分是能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的電路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機(jī)C8051F005。該系統(tǒng)主要包括電源電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)放大電路、液晶驅(qū)動(dòng)及顯示電路、串行通訊電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）。系統(tǒng)各部分的詳細(xì)電路如圖2所示。

　　3.1、C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路

　　本系統(tǒng)使用的是C8051F005，它具有如下特點(diǎn)：

　　片內(nèi)有多達(dá)60KB的Flash ROM和2KB RAM，用戶無需再外擴(kuò)存儲(chǔ)器;

　　一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，自帶采樣保持功能;

　　兩通道串行通訊接口，可用于異步或同步模式;

　　一個(gè)模擬比較器，可實(shí)現(xiàn)電壓比較或基準(zhǔn)電壓的輸出。

　　ADC12是12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶有采樣保持功能，具有高速、通用的特點(diǎn)。它有8個(gè)外部信號(hào)采樣通道和4個(gè)內(nèi)部通道。由差動(dòng)放大器輸出的信號(hào)由通道0輸入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘、轉(zhuǎn)換模式和參考電壓源都可以由用戶用軟件設(shè)置。

　　由于該單片機(jī)內(nèi)部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，還可以大大縮小電路板的尺寸。另外，在電路板上預(yù)留一個(gè)JTAG接口，再配以一個(gè)普通的PC機(jī)，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的調(diào)試。

　　圖2、系統(tǒng)詳細(xì)電路圖

　　3.2、串行通訊電路

　　C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成了兩個(gè)通用串行同步/異步模塊USART0和USART1，均支持兩種不同的串行協(xié)議，即;通用異步協(xié)議（UART協(xié)議）和同步協(xié)議（SPI協(xié)議）。本電路采用UART協(xié)議，再通過一個(gè)RS232接口芯片MAX3221E與PC機(jī)通訊。

　　MAX3221E是工作電壓為+3.0～+5.5V、僅需1μA的供給電流且具有自動(dòng)關(guān)閉功能的單路RS-232收發(fā)器。C8051F005單片機(jī)的一大特點(diǎn)就是低功耗，它有多種功耗狀態(tài)可以編程控制。MAX3221E也是具有低功耗特點(diǎn)的接口器件，通過EN、FORCEON、FORCEOFF引腳可以控制驅(qū)動(dòng)器、接收器的工作狀態(tài)，啟動(dòng)或禁止自動(dòng)降低功耗功能，從而使其工作在不同的能耗狀態(tài)，達(dá)到降低功耗的目的。

　　3.3、電源電路

　　本系統(tǒng)采用電池供電，這樣既可以保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠又可便于在實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境下使用。

　　3.3、LCD驅(qū)動(dòng)及顯示電路

　　LCD顯示選用型號(hào)為SMS0501C段碼顯示驅(qū)動(dòng)器。該液晶顯示器的接口方式為二線式串行接口，顯示方式為反射式正顯示，工作電壓為2.7V~5.5V。

　　3.4、其他電路

　　除了以上幾個(gè)主要的電路外，系統(tǒng)還有電源欠壓檢測(cè)電路和系統(tǒng)復(fù)位電路等。電源欠壓檢測(cè)電路采用的是C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成的模擬比較器來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)復(fù)位電路采用按鈕復(fù)位形式，利用電容的充放電對(duì)單片機(jī)進(jìn)行正確復(fù)位。當(dāng)按鈕被按下時(shí)，C8051F005單片機(jī)的RST引腳即為低電平，只要這個(gè)低電平保持2個(gè)機(jī)器周期以上，單片機(jī)即可正確復(fù)位。

　　4、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)的方法，整個(gè)程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、串行通訊程序、定時(shí)器中斷程序、LCD顯示程序。所有的程序均采用C語言編寫，可以很方便地調(diào)試和下載程序代碼。限于篇幅，本文只給出主程序的流程圖，如圖3所示。

　　系統(tǒng)的主程序主要完成C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)的初始化、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和中斷字，調(diào)用鍵盤處理程序，根據(jù)不同的按鍵轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序，完成不同的功能，如數(shù)據(jù)的采集與處理、串行通信以及歷史記錄的查詢。其中串行通訊子程序不僅可以將單片機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理分析，用戶也可以根據(jù)情況從PC機(jī)上設(shè)置待測(cè)數(shù)據(jù)多少以及測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短等。

　　5、結(jié)束語

　　測(cè)試準(zhǔn)確，該儀器在對(duì)10μΩ～10Ω的微小電阻測(cè)試時(shí)讀數(shù)穩(wěn)定性也較好，且測(cè)量精度高。

　　根據(jù)如上所述的電路原理，開發(fā)出了樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該儀器的功耗低，這樣就大大增加了電池的使用壽命;體積小，重量輕，便于攜帶，很適合在野外及工作現(xiàn)場(chǎng)使用。

　　二、用89C2051單片機(jī)制作的電話回?fù)芷?/strong>

　　該電話回?fù)芷鞑捎脝纹瑱C(jī)控制，具有電路簡(jiǎn)單、接觸可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　一、工作原理

　　電路見附圖所示，系統(tǒng)由摘機(jī)，掛機(jī)電路、單片機(jī)撥號(hào)控制電路、DTMF號(hào)碼產(chǎn)生及放大電路、電源電路等四部分組成，下面分別予以介紹

　　1.摘機(jī)/掛機(jī)電路

　　圖中，J1為電話線進(jìn)線插座，J2為該裝置所并聯(lián)的電話機(jī)插座，Rl為保險(xiǎn)電阻;DI—D4為極性保護(hù)電路，用于將線路上極性不確定的電壓轉(zhuǎn)換成極性固定的電壓，保證無論電話線的正負(fù)極如何連接，都能使進(jìn)入開關(guān)管VI發(fā)射極的一端始終是正電壓;V1是電子開關(guān)，該開關(guān)的通、斷受單片機(jī)P3.7口控制，當(dāng)P3.7為高電平時(shí).V2、VI相繼導(dǎo)通，電話線路上的48V電壓通過VI加到R5兩端，電話線上有電流通過，此時(shí)處于摘機(jī)狀態(tài);當(dāng)P3.7為低電平時(shí).V2、VI截止。電話線上沒有電流通過，此時(shí)處于掛機(jī)狀態(tài)。在摘機(jī)狀態(tài)，由電話機(jī)房送出的48V供電電壓大部分由電話線的線路電阻衰減.R5兩端產(chǎn)生的電壓降大約在5V~15V之問。

　　2.單片機(jī)撥號(hào)控制電路

　　89C2051完成對(duì)撥號(hào)芯片的控制，R8、c5為復(fù)位元件，完成上電復(fù)位，JTI為6MHz晶振。

　　用Pl口的8根線完成對(duì)撥號(hào)芯片的控制。

　　3.DTMF號(hào)碼產(chǎn)生及放大電路

　　使用MK5087型DTMF撥號(hào)專用芯片。該芯片原本是行列式按鍵輸入芯片，即4條行線及4條列線組成16個(gè)按鍵，實(shí)踐證明，該芯片不但具有行列式鍵盤輸入，而且與51系列單片機(jī)具有良好的接口性能。下面對(duì)該芯片各引腳的功能予以介紹。

　　第（1）腳：電源正極，工作電壓范圍為3.5V—10V。（2）腳：狀態(tài)輸出端，當(dāng)芯片發(fā)出DTMF信號(hào)時(shí)。該腳呈低電平，否則呈高電平。（3）、（4）、（5）、（9）腳：鍵盤列線輸入端，內(nèi)接下拉電阻，高電平有效，當(dāng)該腳與任一行線連接，或者一條行線與一條列線同時(shí)有效時(shí)，此時(shí)芯片發(fā)出DTMF信號(hào)。

　?。?）腳：電源負(fù)極。（7）、（8）腳：振蕩輸入、輸出端，接3.58MHz晶體。（10）腳：該腳與第（2）腳正好相反，當(dāng)芯片發(fā)出DTMF信號(hào)時(shí)，該腳呈高電平，否則呈低電平。（11）、（12）、（13）、（14）腳：鍵盤行線輸入端，內(nèi)接上拉電阻，低電平有效，當(dāng)該腳與任一列線連接，或者一條行線與一條列線同時(shí)有效時(shí)，芯片發(fā)出DTMF信號(hào)。（15）腳：?jiǎn)我羰欠裼行Э刂贫?，?nèi)接上拉電阻，當(dāng)該腳接地時(shí)，芯片只能發(fā)

　　出雙音頻，而不能發(fā)出單音頻：當(dāng)該腳接高電平或懸空時(shí)，芯片既允許發(fā)出單音，又允許發(fā)出雙音，只有在行線和列線不同時(shí)有效的情況下，芯片才能發(fā)出單音頻信號(hào)。（16）腳：DTMF信號(hào)輸出端：（16）腳發(fā)出的DTMF信號(hào)經(jīng)V3放大后，從V3集電極送入到線路中。

　　該芯片行列鍵盤與DTMF號(hào)碼為對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，相當(dāng)于該按鍵的行線R為低電平、列線C為高電平;同樣，當(dāng)某一行線R為低電平、列線C為高電平時(shí)，等效于該行線與該列線交叉的按鍵被按下。

　4.電源電路

　　電源電路中，220V交流電壓經(jīng)變壓器B變?yōu)?V.然后經(jīng)D5~D8整流，CI、C2濾波，再經(jīng)ICl（7805）穩(wěn)壓.C3、C4濾波后輸出穩(wěn)定的Sv電壓，供單片機(jī)及號(hào)碼產(chǎn)生電路使用。

　　采用外加交流電源供電的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)電話線路過長(zhǎng)（比如大干20km甚至更多）。如果電話線上的電壓因?yàn)榫€路過長(zhǎng)衰耗太大，以致于到了終端，電壓降不能維持終端設(shè)備工作甚至為零的情況下，該系統(tǒng)仍然能夠正常工作。

　　二、制作安裝

　　所有元件安裝在50mmx80mm的板上。板上有8個(gè)螺絲孔，兩個(gè)用于將變壓器固定在線路板上，一個(gè)用于固定7805，其余5個(gè)用于將線路板和機(jī)殼固定。電話進(jìn)線插座和出線插座安裝在機(jī)殼上，并通過連線與板上的JI和J2桿|連。指示燈LED在線路板上設(shè)計(jì)有安裝位置，也可根據(jù)外觀的設(shè)計(jì)需要將指示燈引出。J3為220V電雎輸入端.J4用于和機(jī)殼上的開關(guān)K連接。為便于改寫程序，單片機(jī)IC2不直接焊接在板上，而是通過IC插座插入，這樣改寫程序時(shí)，可直接將單片機(jī)從板子上拿下來。需要指出的是，由于R5產(chǎn)生的功耗較大，一定要用功率為IW或2W的水泥電阻.Rl要用不大干51Ω的保險(xiǎn)電阻。變壓器用2W的即可，其他元件沒有特殊要求。

　　三、程序流程（見下圖）

　　四、源程序清單

　　下面是以撥手機(jī)號(hào)碼18797130900為例的源程序代碼：