大学生电子设计竞赛设计报告简易自动电阻测试仪.doc

简易自动电阻测试仪
（G题）
设计报告

参赛学校：常州机电职业技术学院
作者：朱化吉 冯海涛 骆翠玲

简易自动电阻测试仪
摘 要
该简易自动电阻测试仪可实现对电阻的自动测试功能，具有自动电阻筛选功能,并能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化的曲线。
根据选题要求，该测试仪以AT89C55为核心，结合键盘、显示、程控放大器、A/D、步进电机控制器等外围电路，较好地实现了要求的功能。测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。测量准确度为±（1%读数＋2 字）。3 位数字显示（最大显示数为999），能自动显示小数点和单位,测量速率大于5 次/秒。100Ω、1kΩ、10kΩ三档量程具有自动量程转换功能。
具有自动电阻筛选功能。即在进行电阻筛选测量时，用户通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值的同时，给出该电阻是否符合筛选要求的指示。设计并制作了一个能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线的辅助装置，曲线各点的测量准确度为±（5%读数＋2 字）,全程测量时间不大于10 秒,测量点不少于15 点。

关键词：单片机，电阻测试仪，自动量程转换，自动电阻筛选

1 方案的选择及论证
系统框图如图1所示：
步进电机控制模块
键盘设置模块
显示模块
电阻测量模块

系统控制模块

图1
对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案：
1.1 系统控制模块
方案一：FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成键盘设置、步进电机控制、显示电路的驱动、及电阻测量模块的接口等功能。这种方案的优点在于系统结构紧凑、速度快，而且可以使用的I/O口线很多；缺点是FPGA的设计及调试及单片机相比比较繁琐，调试的效率比较低，不够灵活。
方案二：单片机方式。使用单片机也可以完成键盘设置、步进电机控制、显示电路的驱动、及电阻测量模块的接口功能。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛，调试的效率也比较高。
基于以上分析，拟选用方案二。本设计选择AT89C55单片机。
1.2电阻测量方案的选择
方案一：使用模拟开关对不同的标准电阻进行量程切换。由于模拟开关器件的内阻影响，在测量阻值较大的电阻时，会产生较大的误差。
方案二：使用程控放大器进行量程切换。及第一种方案比较，该方案测量误差较小，具有明显的优点。因此，我们选择了第二种方案。
1.3 显示模块的选择
方案一：使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低、易于维护、精确可靠、程序编写容易、操作简单等特点。但在本设计中所需显示的状态较多，信息量比较大，并且需要显示电位器阻值随旋转角度变化的曲线，数码管不能完成该曲线显示功能。
方案二：使用液晶屏显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。在本设计中所需显示的状态较多，信息量比较大，并且需要显示电位器阻值随旋转角度变化的曲线，该曲线显示功能由液晶显示屏非常适合。
本设计选用方案二，使用液晶显示屏进行显示。
2 系统的具体设计及实现
2.1 总体设计思想
根据题目的要求，我们经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定出了整体的设计方案：以单片机AT89C55为核心，完成以下几个方面的功能：键盘设置、步进电机控制、显示电路的驱动、及电阻测量模块的接口。设计充分运用了AT89C55的各个接口，减少了模块调用，也使系统更为可靠。系统组成及原理框图如图2所示。
功能及状态显示
液晶显示模块
菜单选择
功能设定
键盘设置模块
步进电机控制模块

单片机AT89C55

A/D转换
程控放大器

测试电源输出
标准电阻

待测电阻

电压跟随器

图2

2.2 理论分析及计算
2.2.1 电阻测量原理
将测试直流电压加在标准电阻和待测电阻上，所得电压经过电压跟随器缓冲隔离，送到程控放大器放大。程控放大器放大得到的结果经过A/D转换，送到单片机AT89C55中，单片机根据所得到的A/D转换电压值，计算出所测量的电阻值。
2.2.2 自动量程转换及自动电阻筛选功能
单片机通过控制程控放大器的放大倍数，完成自动量程转换。当被测电阻较小时，A/D转换器前端所得到的信号也比较小，单片机就增加程控放大器的放大倍数，从而完成对较小被测电阻的测量，实现自动量程转换。
通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值。及单片机测量所得的电阻值进行比较，如果所测量值在误差范围内，则在液晶显示绿色圈，表示合格。如果所测量值在误差范围外并偏大，则在液晶显示红色圈。如果所测量值在误差范围外并偏小，则在液晶显示黑色圈。
2.2.3 电位器阻值变化曲线绘制原理
单片机通过电机控制电位器的调节端转动，同时电位器的阻值随旋转角度变化。单片机每隔一定间隔测量电位器的阻值。将得到的阻值按比例换算成液晶显示屏纵轴的像素坐标。将测量时刻换算成液晶显示屏横轴的像素坐标。将在液晶显示屏得到的点相连，就得到电位器阻值变化曲线。同时在液晶显示屏显示每点所对应的电阻测量值。
2.3 单元模块设计
2.3.1 单片机控制模块

图3
使用AT89C55单片机，充分利用其端口， 如图3所示，各引脚的功能如下：
P1.0：电机驱动脉冲；
P1.1：电机方向信号；
P1.2，P1.3: 程控放大器控制信号
P3.3,P3.4,P3.5: 及AD7818的串行接口和转换使能控制信号。
2.3.2 电阻测量模块

图4
电阻测量模块电路如图4所示，被测电阻接到J3, R8,R9为标准电阻。当测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ量程时，开关S8闭合，R9=10KΩ为标准电阻。当测量量程为10MΩ量程时，开关S7闭合，R8=1MΩ为标准电阻。电压跟随器由运放LM358构成，程控增益放大器采用PGA202，A/D转换器采用ADS7818。AD7818通过串行接口将数据传送到单片机。
2.3.3 键盘设置模块电路
图5为键盘设置模块电路原理图。

图5
键盘采用独立式键盘，首先向锁存器写入全0，当有键按下时，引发单片机中断0。 单片机将锁存器每位的输出分别置1 ，判断是哪个键按下，根据按下的键进行相应的操作。
2.2.3 液晶显示电路及步进电机控制电路
液晶显示电路及步进电机控制电路如图6

图6
液晶模块接口为RS-232接口。单片机串口通过MAX232及液晶屏连接。单片机通过P10控制步进电机方向，P11提供电机驱动脉冲。
3软件流程
主程序流程图见图7
开始
系统初始化
进入界面1
OK键按下否?
N
进入界面2
OK键按下否？
Y
N
根据具体按键值设置参数
Y
进入界面3
根据设置模式测试显示电阻值或画动态曲线
OK键按下否？
Y
N
ESC键按下否？
Y
N
图7
4 系统测试
4.1 测试方法
将所测值及标准电阻值相比较，即可得到测量准确度。自动量程转换、自动电阻筛选、自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线等功能可以在仪器测量时测试完成。
4.2 测试结果及分析
4.2.1 测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。测量准确度测试结果为：
标准阻值
测量值
测量准确度
33

50

1K

4.7K

10K

4.2.2 3位数字显示（最大显示数必须为999），能自动显示小数点和单位,测量速率大于5 次/秒。
经测试该功能满足要求。
4.2.3 100Ω、1kΩ、10kΩ三档量程具有自动量程转换功能。
经测试该功能满足要求。
4.2.4 具有自动电阻筛选功能。
经测试该功能满足要求。通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值。及所测量电阻值进行比较，如果所测量值在误差范围内，则在液晶显示绿色，表示合格。如果所测量值在误差范围外并偏大，则在液晶显示红色。如果所测量值在误差范围外并偏小，则在液晶显示黑色。
4.2.5 能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化的曲线。曲线各点的测量准确度为±（5%读数＋2 字）,全程测量时间不大于10 秒,测量点不少于15 点。
测量准确度测试结果为：
标准阻值
测量值
测量准确度

50

经测试该功能满足要求。可显示电位器阻值变化曲线。同时在液晶显示屏显示每点所对应的电阻测量值。
5 结束语
经过为期四天的设计，感触颇深的是解决问题的方法、技巧。在这四天中，我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法处理，多角度处理。通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。当然，我们的设计还有一些不足之处，有待于在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。

参考文献
1、 徐爱钧、彭秀华.单片机高级语言C51Windous环境编程及应用.电子工业出版社，2001
2、 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届—第五届），北京理工大学出版社.2004
3、 张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社，1999
4、 金戎、沈庆阳、郭廷吉.8051单片机实践及应用.清华大学出版社，2002

附件：
系统电路原理图

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