基于C8051F005单片机的小电阻测试仪的设计

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    1、引言
    在电路测试过程中常常会碰到由于忽略某些小电阻的影响引起实验数据与理论值之间存在较大误差，从而影响测试效果。例如电感器、变压器中往往存在铜电阻，地铁铁轨的电阻；由于其数值较小，一般的指针万用表无法测量出来；通常实验室里会用电桥进行测量，但电桥操作手续较烦，又不能直接读出被测电阻阻值。鉴于此，我们采用了单片机，利用单片机的优势设计了该测量仪。该测量仪可直接从LCD显示屏上读出所测得的电阻值，测量范围为10μΩ～2.9999kΩ，同时可以把测试的数据进行储存，然后经串行口送入上位机，通过上位机的强大功能，可以对所测得的数据进行分析、处理。该测试仪的测量精度高达±0.1%，并采用四端测量法，电阻值不受引线长短及接触电阻的影响。不仅测量简便，读数直观，且测量精度、分辨率也高于一般电桥。可用于实验室、研究所，尤其适用于工作现场。
2、测试原理
  
    如上图本机的基本原理是采用在被测电阻上通过已知的恒定电流,取出被测电阻上的压降，经放大器放大转换为0～3V直流电压，然后送入C8051F005A/D转换的输入端，经单片机处理，最后经过液晶显示器直接显示电阻阻值。
    由于要实现对微小电阻的测量，所以要求放大器的分辨率高(高潮达10μV)，线性度好，输入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强，为此我们设计了如图2中信号处理电路所示的差动放大器。此放大器由运放A1、A2组成第一级差分式电路，A3组成第二级差分式电路，R3、R4、RW组成反馈网络,引入了深度电压串联负反馈，故有较高的输入阻抗，且A1、A2都选同相端作为输入端，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再经过A3组成的差分式电路，可以互相抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压；A4是电压反向跟随器，其作用是使前后级隔离。分析此电路可得下列方程。



    当R5= R7、R6= R8时，上述方程化简可得：



    从(3)式知输出电压U4与被测电阻RX成正比。放大器的倍数由R3、R4、RW而定，由于A/D转换器的输入电压为0～3V，本仪器设置放大器的放大倍数为10倍，在U4端得到0～3V的直流电压。为了保证放大器的分辨率和稳定性，除上述电路本身优点外，集成运放A1、A2、A3选用了高精度、低噪声、低漂移的max495，反馈支路的电阻均选用高精度、低温度系数的精密电阻，此外还采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪声和干扰。测试时被测电阻与测试仪器间采用四端接线法，恒流源电流经IN1输入从IN2输出，测量时用四根专用导线与被测电阻Rx连接，当被测电阻较小时，为了避免导线电阻和接触电阻的影响，四根连接导线要做到特性一致、阻抗相同，这样就可以消除导线电阻和接触电阻的影响。
    该仪器的核心部分是能够实现各种功能的电路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型单片机C8051F005。该系统主要包括电源电路、信号采集电路、信号放大电路、液晶驱动及显示电路、串行通讯电路、系统复位电路和C8051F005单片机系统电路（包括模数转换电路）。系统各部分的详细电路如图2所示。
? 一个模拟比较器，可实现电压比较或基准电压的输出。
    ADC12是12位精度的A/D转换模块，带有采样保持功能，具有高速、通用的特点。它有8个外部信号采样通道和4个内部通道。由差动放大器输出的信号由通道0输入单片机，A/D转换的时钟、转换模式和参考电压源都可以由用户用软件设置。
    由于该单片机内部集成了众多的外围模块，不但使电路的设计变得简单，还可以大大缩小电路板的尺寸。另外，在电路板上预留一个JTAG接口，再配以一个普通的PC机，就可以很方便地实现系统软件的调试。


3.2、串行通讯电路
    C8051F005单片机内部集成了两个通用串行同步/异步模块USART0和USART1，均支持两种不同的串行协议，即；通用异步协议（UART协议）和同步协议（SPI协议）。本电路采用UART协议，再通过一个RS232接口芯片MAX3221E与PC机通讯。
    MAX3221E是工作电压为＋3.0～＋5.5V、仅需1μA的供给电流且具有自动关闭功能的单路RS－232收发器。C8051F005单片机的一大特点就是低功耗，它有多种功耗状态可以编程控制。MAX3221E也是具有低功耗特点的接口器件，通过EN、FORCEON、FORCEOFF引脚可以控制驱动器、接收器的工作状态，启动或禁止自动降低功耗功能，从而使其工作在不同的能耗状态，达到降低功耗的目的。
3.3、电源电路
    本系统采用电池供电，这样既可以保持系统运行的稳定可靠又可便于在实验室以外的环境下使用。
3.3、LCD驱动及显示电路
    LCD显示选用型号为SMS0501C段码显示驱动器。该液晶显示器的接口方式为二线式串行接口，显示方式为反射式正显示，工作电压为2.7V"5.5V。
3.4、其他电路
    除了以上几个主要的电路外，系统还有电源欠压检测电路和系统复位电路等。电源欠压检测电路采用的是C8051F005单片机内部集成的模拟比较器来实现。系统复位电路采用按钮复位形式，利用电容的充放电对单片机进行正确复位。当按钮被按下时，C8051F005单片机的RST引脚即为低电平，只要这个低电平保持2个机器周期以上，单片机即可正确复位。
4、软件设计
    本系统的软件设计采用模块化设计的方法，整个程序包括主程序、数据采集程序、数据处理程序、串行通讯程序、定时器中断程序、LCD显示程序。所有的程序均采用C语言编写，可以很方便地调试和下载程序代码。限于篇幅，本文只给出主程序的流程图，如图3所示。
    系统的主程序主要完成C8051F005单片机系统的初始化、设置系统时钟和中断字，调用键盘处理程序，根据不同的按键转入相应的服务程序，完成不同的功能，如数据的采集与处理、串行通信以及历史记录的查询。其中串行通讯子程序不仅可以将单片机存储的数据传送到PC机进行处理分析，用户也可以根据情况从PC机上设置待测数据多少以及测试时间的长短等。
5、结束语
    根据如上所述的电路原理，开发出了样机，经实验证明该仪器的功耗低，这样就大大增加了电池的使用寿命；体积小，重量轻，便于携带，很适合在野外及工作现场使用；
    测试准确，该仪器在对10μΩ～10Ω的微小电阻测试时读数稳定性也较好，且测量精度高。

         
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