基于C8051F005單片機的小電阻測試儀設(shè)計

在電路測試過程中常常會碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實驗數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大誤差，從而影響測試效果。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量出來；通常實驗室里會用電橋進(jìn)行測量，但電橋操作手續(xù)較煩，又不能直接讀出被測電阻阻值。鑒于此，我們采用了單片機，利用單片機的優(yōu)勢設(shè)計了該測量儀。該測量儀可直接從LCD顯示屏上讀出所測得的電阻值，測量范圍為10μΩ～2.9999kΩ，同時可以把測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，然后經(jīng)串行口送入上位機，通過上位機的強大功能，可以對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。該測試儀的測量精度高達(dá)±0.1%，并采用四端測量法，電阻值不受引線長短及接觸電阻的影響。不僅測量簡便，讀數(shù)直觀，且測量精度、分辨率也高于一般電橋?？捎糜趯嶒炇?、研究所，尤其適用于工作現(xiàn)場。

　　2、測試原理

　　如上圖本機的基本原理是采用在被測電阻上通過已知的恒定電流,取出被測電阻上的壓降，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)單片機處理，最后經(jīng)過液晶顯示器直接顯示電阻阻值。

　　由于要實現(xiàn)對微小電阻的測量，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，為此我們設(shè)計了如圖2中信號處理電路所示的差動放大器。此放大器由運放A1、A2組成第一級差分式電路，A3組成第二級差分式電路，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，其作用是使前后級隔離。分析此電路可得下列方程。

 

　　當(dāng)R5= R7、R6= R8時，上述方程化簡可得：
 

　　從(3)式知輸出電壓U4與被測電阻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)點外，集成運放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。測試時被測電阻與測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，測量時用四根專用導(dǎo)線與被測電阻Rx連接，當(dāng)被測電阻較小時，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、小電阻測試儀的硬件設(shè)計
 

　　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C8051F005。該系統(tǒng)主要包括電源電路、信號采集電路、信號放大電路、液晶驅(qū)動及顯示電路、串行通訊電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和C8051F005單片機系統(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單片機系統(tǒng)電路

　　本系統(tǒng)使用的是C8051F005，它具有如下特點：

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

　　 一個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； 

　　 一個模擬比較器，可實現(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。它有8個外部信號采樣通道和4個內(nèi)部通道。由差動放大器輸出的信號由通道0輸入單片機，A/D轉(zhuǎn)換的時鐘、轉(zhuǎn)換模式和參考電壓源都可以由用戶用軟件設(shè)置。
由于該單片機內(nèi)部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設(shè)計變得簡單，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JTAG接口，再配以一個普通的PC機，就可以很方便地實現(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單片機內(nèi)部集成了兩個通用串行同步/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RS232接口芯片MAX3221E與PC機通訊。

　　MAX3221E是工作電壓為＋3.0～＋5.5V、僅需1μA的供給電流且具有自動關(guān)閉功能的單路RS－232收發(fā)器。C8051F005單片機的一大特點就是低功耗，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的接口器件，通過EN、FORCEON、FORCEOFF引腳可以控制驅(qū)動器、接收器的工作狀態(tài)，啟動或禁止自動降低功耗功能，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)運行的穩(wěn)定可靠又可便于在實驗室以外的環(huán)境下使用。
 

　　3.3、LCD驅(qū)動及顯示電路

　　LCD顯示選用型號為SMS0501C段碼顯示驅(qū)動器。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

　　除了以上幾個主要的電路外，系統(tǒng)還有電源欠壓檢測電路和系統(tǒng)復(fù)位電路等。電源欠壓檢測電路采用的是C8051F005單片機內(nèi)部集成的模擬比較器來實現(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單片機進(jìn)行正確復(fù)位。當(dāng)按鈕被按下時，C8051F005單片機的RST引腳即為低電平，只要這個低電平保持2個機器周期以上，單片機即可正確復(fù)位。

　　4、軟件設(shè)計
 

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計的方法，整個程序包括主程序、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單片機系統(tǒng)的初始化、設(shè)置系統(tǒng)時鐘和中斷字，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存儲的數(shù)據(jù)傳送到PC機進(jìn)行處理分析，用戶也可以根據(jù)情況從PC機上設(shè)置待測數(shù)據(jù)多少以及測試時間的長短等。
 

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

　　根據(jù)如上所述的電路原理，開發(fā)出了樣機，經(jīng)實驗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)場使用