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(guò)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(wàn)用表無(wú)法測(cè)量出來(lái)；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(guò)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(xiàn)長(zhǎng)短及接觸電阻的影響。不僅測(cè)量簡(jiǎn)便，讀數(shù)直觀(guān)，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(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(xiàn)法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測(cè)量時(shí)用四根專(zhuān)用導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)電阻和接觸電阻的影響，四根連接導(dǎo)線(xiàn)要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導(dǎo)線(xiàn)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(hù)無(wú)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(hù)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(lái)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(yǔ)言編寫(xiě)，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(pán)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(xún)。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(hù)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(yǔ)

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(kāi)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