莫蘇芮

(中共忠縣縣委黨校，重慶 404300)

在當(dāng)代隨著社會的發(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，我們需要測量電阻的參數(shù)在測試在電子設(shè)計(jì)中又是非常重要的，目前我們測試電阻的參數(shù)基本上都采用萬用表直接測試元件的兩端以測得元件參數(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，直接測試兩端的話將會造成極大的誤差。這就需要我們想辦法來形成一個(gè)測量儀來測量一個(gè)與它有關(guān)系的值來轉(zhuǎn)換測量，因此就需要發(fā)展我們的電阻測試儀。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

首先將電阻對應(yīng)的電壓實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測量，接著將模擬電壓信號送入A/D采樣，通過A/D把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再把數(shù)字信號送入單片機(jī)處理，完成電阻測量，再通過單片機(jī)與顯示模塊的連接，顯示測量結(jié)果。該測試儀使用C語言編寫了系統(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)分壓測量電阻即通過測量電壓來實(shí)現(xiàn)

2.1.2 方案設(shè)計(jì)

分壓即電阻串聯(lián)分壓，在電路中被測電阻滑動變阻器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)測量部分電阻為Rx、對地電壓為Ux,R1兩端的電壓為U1，根據(jù)歐姆定律:

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

化簡可得 Rx=(R1*Ux+Rv1*Ux)/U

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

2.1.3 方案說明

我們要實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)簡易的電阻測量儀需要實(shí)現(xiàn)的就是把電阻值給測量出來，因此我們就可以直接用串聯(lián)分壓測量電阻值的大小，通過測量電阻兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)電阻的測量，測量電阻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。

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

(2)本設(shè)計(jì)在選擇被測電阻時(shí)運(yùn)用一個(gè)滑動變阻器來表示被測電阻?；瑒釉谧冏杵鞑煌恢么聿煌碾娮柚但@得多個(gè)不同的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的測量要求。

(3)滑動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，對于這部分就要實(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(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)來控制其它各部分的電路，由電路測量所得的數(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，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)是模擬電壓值信號要通過A/D轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識別的數(shù)字電壓信號后就需要經(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)果是測試出電阻的阻值，因此測出的阻值就需要將其電阻值在液晶上顯示出來。LCD1602是用來顯示字符，對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，因此對此選擇運(yùn)用LCD1602對單片機(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，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。通常我們在使用LCD1602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。總線信號通過8155I/O擴(kuò)展電路再連接到液晶數(shù)據(jù)口將其顯示出來。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的許多信號與51單片機(jī)兼容，因此8155與MCS-51單片機(jī)的連接比較簡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)

電阻測量部分采集電壓信號經(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為所測電壓值，Rx為所測電阻值，R為實(shí)際電阻值。在本設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)中通過測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。未知測量電阻是采用滑動變阻器，在知道整個(gè)電阻值的情況下滑動在不同位置占不同的百分比就接入不同的電阻測量值，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)因此測量結(jié)果是一系列與理論值接近的電阻值。方案簡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)、元器件選擇等會造成測量的誤差，為提高電阻測試儀的的精度，減小實(shí)際測量值與真實(shí)值之間的誤差，本測試儀采用了軟件補(bǔ)償硬件的方法，在實(shí)際值與測量值之間尋找規(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)了自動校零的功能。

5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本系統(tǒng)通過分壓電阻測試法將測量電阻的電壓測試出來，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)化為對應(yīng)的電阻，最后將其所得電阻值用LCD1602顯示出來。

根據(jù)以上的測試結(jié)果表明，系統(tǒng)按照要求完成了電阻的測試，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)作品最終測試后從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中可觀察到這種方法測量范圍較寬,誤差值比較小、相對誤差小于1%。這也最終說明了方法的可行性，因此串聯(lián)分壓法適合于簡易電阻的測量。