基于89C51放電法測高阻數(shù)據(jù)的采集與處理

摘要：對大學物理實驗中放電法測高阻的傳統(tǒng)實驗，采用單片機一計算機接口技術(shù)和模數(shù)變換技術(shù)，用計算機對數(shù)據(jù)進行處理得出結(jié)果。它既可以作為自動化測量設(shè)備，也可以作為高年級大學生課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計題目，對于拓寬大學生知識面，提高實際動手能力和解決問題能力有一定的價值。
關(guān)鍵詞：單片機；A／D轉(zhuǎn)換器；串口通信；數(shù)據(jù)采集

    高阻，一般指106 Ω以上的電阻，也有人把108～1017Ω的電阻稱之為超高阻。由于電阻值較高，一般測量電阻儀器受量程和靈敏度的限制，準確測量高阻有一定的困難。在工業(yè)中，常采用放電法測量高阻。放電法測高阻原理是將待測高阻與已知電容組成回路，在電容放電時測量電容上的電量(或電壓)隨時間的變化關(guān)系，從而確定高阻的阻值。
    單片機自20世紀70年代問世以來，以極其高的性能價格比受到人們的重視和關(guān)注，發(fā)展速度很快。單片機有體積小，重量輕，抗干擾能力強等優(yōu)點，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易，在實時測量和新型測量儀器方面已得到了廣泛的應用。利用單片機89C51和數(shù)字電路技術(shù)，將采集到電容上的模擬電壓，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，在單片機89C51的控制下，經(jīng)串行通信接口送入計算機，由計算機處理后給出測量結(jié)果。從而減少人工操作，提高了測量的速度和精確度，使測量高阻實現(xiàn)全自動化。

1 測量原理
    圖1是RC放電原理圖。

    當開關(guān)K扳向A時，電源E給電容C充電，當開關(guān)K由A扳向B時，電容C通過電阻R放電。設(shè)放電時間為t，則在t時刻電容C上的電量Q、電壓U和RC回路中的電流I之間滿足：
   
    其中負號表示隨著放電時間的增加，電容器極板上的電荷Q隨之減少。注意：Q、U、I 3個量都是時間的函數(shù)設(shè)初始條件為：t=0時，Q=Q0，則電容上電量隨時間的關(guān)系：
   
    式中RC稱為時間常數(shù)，一般用τ表示，其物理意義為：當t=τ=RC時，電容上的電量由t=0時的Q0下降到0．368Q0。τ決定放電過程的快慢，τ越大，放電越慢；反之，τ越小，放電越快。當t=5，τ=5RC時，Q=0．005Q0，可以認為放電基本結(jié)束。對上式取自然對數(shù)有：
   
    若用沖擊電流計測量電容兩端電量時，由于通過電流計的電量Q與電流計光標的第一次最大偏轉(zhuǎn)距離d成正比(Q∝d)，因此(1)、(2)式可改寫為：
   
    式中d0、d分別表示t=0、t=t時，電流計光標的第一次最大偏轉(zhuǎn)距離。以t為自變量，以d為因變量，作d～t曲線如圖2所示。從曲線上找到d=d0／e的點，該點所對應的t值應等于τ。因τ=RC，而C已知，即可求出R值。也可根據(jù)(4)式作lnd～t曲線圖，由于lnd與t成線性關(guān)系，則曲線為一直線(見圖3)，其直線的斜為-1／RC，由此也可求出R值。

    由于電容器絕緣不太理想及各種漏電因素，即使去掉被測高阻R，電容器也要放電，這就相當于有一個漏電電阻。這個漏電電阻等效于一個超高阻R0和電容C并聯(lián)。測得的R實際上是待測電阻Rx和漏電電阻R0的并聯(lián)。有
   
    為了測出R0，可將圖1電路中的R拆去，同樣按上述方法測出一組數(shù)據(jù)，通過作圖即可求出R0，再將R、R0代入(5)式，便可求出Rx。

2 硬件電路
    文中就是根據(jù)上述原理，利用單片機和數(shù)字電路技術(shù)對電容進行實時測量和數(shù)據(jù)處理的。整體電路框圖如圖4所示。其中硬件電路主要包括充放電、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機和串行通信接口4部分。

2．1 充放電電路
    將待測高阻與已知電容組成回路，先讓電源給電容充電，充電完成后，再讓電容通過電阻放電。在電容放電時測量電容上的電壓隨時間的變化關(guān)系，從而確定高阻的阻值。這里選用輸入阻抗達到1015 Ω的運放AD549用作電壓跟隨器，隔離測試回路與待測電阻回路。

2．2 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分
    模擬信號送入ADC0809。ADC0809為8路輸入通道8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位，具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?，轉(zhuǎn)換時間為100 μs，單個+5 V電源供電，模擬輸入電壓范圍0～+5 V，不需零點和滿刻度校準。ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與89C51單片機直接相連。初始化時，使START和OE信號為低電平，開始轉(zhuǎn)換時在START和ALE加一個正脈沖信號，ADC0809開始轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC為高電平。單片機根據(jù)EOC信號檢測到轉(zhuǎn)換結(jié)束后，給OE為置高電平，ADC0809把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出到8位數(shù)據(jù)線上，單片機由數(shù)據(jù)線上獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果。
    單片機系統(tǒng)的晶體為12 MHz，ADC0809的工作頻率選為500 kHz，在電路中采用74L574把單片機的2 MHz的ALE信號進行4分頻，獲得AD0809所需的工作頻率。
2．3 單片機部分
    ADC0809的START為轉(zhuǎn)換啟動信號，當START上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A／D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平，讓START和P2．7連接。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A／D轉(zhuǎn)換，檢測ADC0809的EOC端，將它與P3．2口連；OE為輸出允許信號，用于控制3條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)，讓OE與P2．6連接。D7-D0為數(shù)字量輸出線，數(shù)據(jù)的輸出口連接到P0口，單片機由P0口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，在單片機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的換算。

2．4 串行通信接口部分
    單片機通過rxd和txd實現(xiàn)和MAX232的通信，MAX232通過T-in1和Rout1與單片機相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，這部分主要實現(xiàn)的是電平的轉(zhuǎn)化，由于電腦串口RS232電平是邏輯1電壓-9 V；邏輯0電壓+9 V，而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平邏輯1電壓+5 V；邏輯0電壓0 V，單5 V供電的MAX232內(nèi)部采用電荷泵技術(shù)，實現(xiàn)TTL邏輯電平到RS232邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換。通過MAX232可以把單片機的串行通信口和計算機的RS232串行通信口相連，實現(xiàn)單片機和計算機的數(shù)據(jù)通信。

3 結(jié)束語
    該測量系統(tǒng)電路設(shè)計簡單，編程運行后，工作穩(wěn)定，性能可靠，具有一定實用價值。它既可以作為自動化測量設(shè)備，也可以作為高年級大學生課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計題目，對于拓寬大學生知識面，提高實際動手能力和解決問題能力有一定的價值。