基于單片機(jī)的自動(dòng)電阻測試儀的設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 張 嬌 張 琦

1.設(shè)計(jì)方案的制定

本測試儀主要由LCD顯示模塊、線性穩(wěn)壓電源模塊、恒流驅(qū)動(dòng)電源模塊、自動(dòng)換擋模塊、鍵盤模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

使用STC12C5A08S2單片機(jī)。STC12C5 A08S2是帶有8通道10位A/D轉(zhuǎn)換的STC單片機(jī)，具有超強(qiáng)的抗靜電能力，超低功耗、寬電壓等特點(diǎn)。里面共有8KB FlashROM作為程序存儲(chǔ)器，同時(shí)E2PROM容量有53KB。恒流電路采樣。被測電阻通過恒流源，電阻的阻值和采樣的電壓成正比。該電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但精度高，線性采樣，單片機(jī)對(duì)采樣的信號(hào)易處理。液晶12864顯示。驅(qū)動(dòng)電壓低，功耗微小，可靠性高，可顯示數(shù)字、字母、字符、單位、曲線等。

2.設(shè)計(jì)的理論分析

根據(jù)測量的阻值不同，測量的方法也不同。本測試儀在量程為100Ω，1kΩ和10kΩ這三個(gè)檔采用恒流電路采樣。通過自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路，流過的采樣電流分別是50mA、5mA和0.5mA。單片機(jī)分送到單片機(jī)識(shí)別的電壓是：

U=I×R

I是采樣電流，R是被測電阻。以100Ω為例。電阻最大為100Ω，電流為50mA，采樣電壓是U=50mA×100Ω=5V，正好是單片機(jī)采樣的最大值。單片機(jī)STC12C5A08S2內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，分辨率為1024，滿足設(shè)計(jì)要求。

先讓電路設(shè)在最大量程即10kΩ，此時(shí)恒流源的電流為0.5mA，采樣的電壓為：U=0.5mA×R，當(dāng)電阻大于1kΩ時(shí)，U大于0.5V，通過A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)大于100，此時(shí)檔位不變。當(dāng)電阻大于100Ω小于1kΩ時(shí)，采樣的數(shù)字信號(hào)大于10小于100，此時(shí)檔位變?yōu)?mA的恒流源。當(dāng)采樣信號(hào)小于10時(shí)，檔位變?yōu)?.5mA.這樣既保證了精度，又實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。

篩選功能電路設(shè)為四個(gè)按鍵：設(shè)定、移位、加一和確定。按下設(shè)定，電路處于設(shè)定狀態(tài)，此時(shí)不在識(shí)別被測電阻。在設(shè)定狀態(tài)，共有五個(gè)參數(shù)可設(shè)定，分別是：要求的電阻值的十位、個(gè)位、電阻值的倍乘、誤差的十位和誤差的個(gè)位。通過移位按鍵可以在這五個(gè)參數(shù)之間轉(zhuǎn)換。通過加一按鍵可以使五個(gè)參數(shù)從零加到九，再加一又回復(fù)到零。按下確定按鍵，電路回到被測狀態(tài)。

3.硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 線性穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)

線性穩(wěn)壓電源電路原理圖如圖2所示。該電路采用了高精度線性穩(wěn)壓電源，進(jìn)一步提高運(yùn)算放大器的性能，測量電阻值的精度也得到了提高。

選用可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317和LM337，調(diào)節(jié)輸出電壓采用多只電阻器并聯(lián)方式，并采用1%精度電阻，確保輸出電壓值的低漂移，能夠精確的調(diào)節(jié)輸出電壓，經(jīng)調(diào)試，用4位半數(shù)字萬用表測得輸出電壓為+12.002V和-12.000V。

圖2 線性穩(wěn)壓電源電路

3.2 恒流源及換擋模塊電路

恒流源及換擋模塊電路原理圖如圖3所示。R1和R2對(duì)12V的電源進(jìn)行分壓得到LM358輸入端的電壓U=R1/(R1+R2)×12=8V。R4、R6和R7的電壓是12V-8V=4V。由于電阻一定，不管被測電阻怎樣變化（不能超出范圍），流過被測電阻的電流不變，這樣電阻的大小和送到單片機(jī)的A/D電壓成正比，實(shí)現(xiàn)了電阻到電壓的變化。對(duì)于檢測得到信號(hào)的不同，對(duì)三個(gè)繼電器分別加以控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。

圖3 恒流源及換擋模塊電路

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖如圖4所示。單片機(jī)開啟步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)處于勻速狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣電阻也均勻增大，同時(shí)等間隔對(duì)其電壓采樣。

4.軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5.測試結(jié)果

測試結(jié)果如表1-4所示。通過按鍵鍵入所需電阻阻值及設(shè)定誤差值，經(jīng)本儀器檢測，測量結(jié)果如表5所示。當(dāng)被測電阻不符合要求時(shí)，報(bào)警燈閃亮。

表1 100Ω擋信號(hào)測試結(jié)果（單位/Ω）

表2 1KΩ擋信號(hào)測試結(jié)果（單位/Ω）

表3 10KΩ檔信號(hào)測試結(jié)果（單位/KΩ）

表4 10MΩ檔信號(hào)測試結(jié)果（單位/MΩ）

表5 自動(dòng)篩選功能測試結(jié)果（單位/MΩ）

6.結(jié)論

由表1、表2、表3、表4、表5的測試數(shù)據(jù)可知，本儀器測量精確度在1%內(nèi)，100Ω、1KΩ、10KΩ范圍內(nèi)任意電阻阻值均能準(zhǔn)確測量，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)被測電阻不符合要求時(shí)，報(bào)警燈閃亮，符合要求時(shí)，報(bào)警燈不亮，該裝置具有自動(dòng)篩選功能。同時(shí)采用液晶12864，可顯示曲線或阻值、誤差值等，達(dá)到顯示功能。

[1]秦曾煌.電工學(xué)[ M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]孫駱生.電工學(xué)基本教程[M].北京:高等教育出版社(4版),2008.

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