簡易自動電阻測試儀設(shè)計報告摘要電阻測試儀，是電子器件測量、分選不可缺少的工具，主要用于測試變壓器、電機、互感器等設(shè)備的直流電阻，具有不受電抗影響、測量精度高、測試速度快及可用于方便地進(jìn)行分選特點。簡易自動電阻測試儀是以51單片機為核心，其工作原理是控制可控恒流源輸出電流流經(jīng)被測量電阻，將被測量電阻兩端的電壓經(jīng)過調(diào)理并送至由ICL7135構(gòu)成的AD電路，被測信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送至單片機得出被測量電阻的阻值。本儀器有四檔恒流源分別對應(yīng)四個量程，通過單片機發(fā)送量程信號可以方便地進(jìn)行量程的切換。顯示及按鍵模塊采用動態(tài)掃描方式，在程序中通過定時器自動掃描顯示及鍵檢測可自動顯示小數(shù)點和單位以及進(jìn)行各種特效顯示。關(guān)鍵詞電阻測試儀，單片機，可控恒流源，ICL7135，程控放大器一、概述11課題要求1、基本要求（1）測量量程為100、1K、10K、10M四檔。測量準(zhǔn)確度為（1讀數(shù)2字）。（2）3位數(shù)字顯示（最大顯示數(shù)必須為999），能自動顯示小數(shù)點和單位,測量速率大于5次/秒。（3）100、1K、10K三檔量程具有自動量程轉(zhuǎn)換功能。2發(fā)揮部分（1）具有自動電阻篩選功能。即在進(jìn)行電阻篩選測量時，用戶通過鍵盤輸入要求的電阻值和篩選的誤差值；測量時，儀器能在顯示被測電阻阻值的同時，給出該電阻是否符合篩選要求的指示。（2）設(shè)計并制作一個能自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線的輔助裝置，要求曲線各點的測量準(zhǔn)確度為（5讀數(shù)2字）,全程測量時間不大于10秒,測量點不少于15點。輔助裝置連接的示意圖如圖1所示。（3）其他圖1輔助裝置連接示意圖12課題分析根據(jù)上述要求可知，系統(tǒng)中需要含有一個智能控制核心，本設(shè)計擬采用以51單片機作為系統(tǒng)的控制核心。采用單片機控制單刀多擲開關(guān)實現(xiàn)不同阻值量程的檔位切換。由要求第二點可知，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率要大于5次/秒，即系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率要大于一定值。由單片機控制顯示器顯示數(shù)字、小數(shù)點及單位?？刂茊卧鶕?jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷是否在臨界點上，如果在臨界點上，則控制量程自動切換，為避免數(shù)據(jù)大幅跳動，切換過程具有遲滯效應(yīng)。電阻自動篩選功能，可由單片機核心控制程序?qū)崿F(xiàn)，根據(jù)按鍵設(shè)定的輸入數(shù)據(jù)，將測得的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，電阻值在允許誤差范圍內(nèi)，顯示合格，超出允許誤差范圍，顯示偏高或偏低，并發(fā)出報警。輔助裝置的設(shè)計與制作，將電機與電位器軸承連接起來，讓電位器隨電機轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，電機由輔助裝置的單片機控制，電阻測試儀通過串口將所測阻值傳送給輔助裝置中的單片機，該單片機根據(jù)相應(yīng)數(shù)值驅(qū)動液晶屏描點，顯示電位器隨電機轉(zhuǎn)動的阻值變化曲線。二、方案設(shè)計（原理說明及選用依據(jù)）21方案篩選本課題一般有兩種方案可實現(xiàn)。方案一電橋法測電阻基本電路原理圖如下R3XVCGND45U67TOAB圖2電路由R1、R2、R3及待測電阻RX組成電橋，R1、R2、R3的阻值均為已知，若VCC為固定已知值，則B點電位也為固定已知值。A點電位隨RX變化而變化，通過差分放大器U1讀出UAB，根據(jù)VAUABVB可求出A點電位，由上面原理圖可知RX（VAR1）/VCCVA,則可以得出待測電阻RX的阻值。方案中要求VCC及B點電位很穩(wěn)定，因此就需要R1、R2、R3的阻值很穩(wěn)定，這樣它們的精度要求就比較高。要求VCC很穩(wěn)定，對電源的要求就比較高，實際操作中，穩(wěn)定的電源電壓不易實現(xiàn)，而且電阻存在溫漂問題，所以要求VCC及B點電位很穩(wěn)定實際操作起來比較困難。方案二恒流法測電阻系統(tǒng)框圖如下單片機待測電阻A/D轉(zhuǎn)換可控恒流源圖3如圖3所示，可控恒流源模塊給待測電阻RX提供恒定電流IS,RX上即產(chǎn)生電壓UX，通過A/D由單片機讀出電壓UX，根據(jù)RXUX/IS得出RX阻值。此方案精度可以做得比較高，實際操作難度適中。故本課題選方案二進(jìn)行電路設(shè)計。22元器件選型及主要器件介紹本系統(tǒng)中單片機采用宏晶科技的STC89C52,可控恒流源及程控放大器中采用的運算放大器為直流性能非常優(yōu)越的OP177，為了確保可控恒流源提供的電流穩(wěn)定，系統(tǒng)中采用的電流基準(zhǔn)電阻均為05精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ICL7135，顯示電路由四位數(shù)碼管及相關(guān)的發(fā)光二極管組成，輸入設(shè)備由10個按鍵構(gòu)成，輔助裝置中的電位器采用上海新躍儀表廠生產(chǎn)的WDD35D4。下面對主要元器件進(jìn)行介紹（1）ICL7135ICL7135是4位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以轉(zhuǎn)換輸出20000個數(shù)字量，有STB選通控制的BCD碼輸出，與微機接口十分方便。ICL7135具有精度高相當(dāng)于14位A/D轉(zhuǎn)換，價格低的優(yōu)點。其轉(zhuǎn)換速度與時鐘頻率相關(guān)，每個轉(zhuǎn)換周期均有自校準(zhǔn)調(diào)零，正向積分被測模擬電壓積分，反向積分基準(zhǔn)電壓積分和過零檢測四個階段組成，其中自校準(zhǔn)時間為10001個脈沖，正向積分時間為10000個脈沖，反向積分直至電壓到零為止最大不超過20001個脈沖。故設(shè)計者可以采用從正向積分開始計數(shù)脈沖個數(shù)，到反向積分為零時停止計數(shù)。將計數(shù)的脈沖個數(shù)減10000，即得到對應(yīng)的模擬量。圖1給出了ICL7135時序，由圖可見，當(dāng)BUSY變高時開始正向積分，反向積分到零時BUSY變低，所以BUSY可以用于控制計數(shù)器的啟動/停止。圖11CL7135時序ICL7135為DIP28封裝,芯片引腳排列如圖2所示圖21CL7135芯片引腳ICL7135主要參數(shù)V6V溫度范圍0TO70電源電壓V9V熱電阻PDIP封裝QJA/W55模擬輸入電壓VTOV最大結(jié)溫150參考輸入電壓VTOV最高儲存溫度范圍65TO150時鐘輸入電壓GNDTOV（2）超高精度運算放大器OP177OP177是目前精度性能最高的運算放大器之一。失調(diào)電壓在室溫下的最大值僅為25V。OP177的超低VOS結(jié)合出色的01V/C失調(diào)電壓漂移最大值，無需進(jìn)行外部VOS調(diào)節(jié)，從而可提高整個溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度。OP177在整個10V輸出范圍內(nèi)的開環(huán)增益維持在12V/V。這款運算放大器的性能極其出色，例如CMRR最小值可達(dá)130DB，PSRR最小值可達(dá)120DB，電源電流最大值可達(dá)2MA。諸多優(yōu)異的規(guī)格參數(shù)可確保OP177在高閉環(huán)增益應(yīng)用中的精確性能。作為低噪聲、雙極性輸入運算放大器，OP177也是斬波穩(wěn)定放大器的經(jīng)濟(jì)替代方案。在提供斬波器級性能的同時，它沒有噪聲高、低頻斬波器尖峰、物理尺寸過大、共模輸入電壓范圍有限和外部儲能電容器體積過大等常見問題。OP177的溫度范圍為40C至85C擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。該產(chǎn)品提供8引腳PDIP封裝及節(jié)省空間的8引腳SOIC封裝。（3）精密導(dǎo)電塑料電位器為了確保輔助裝置中電位器的精度和線性度，故而本電路中采用上海新躍儀表廠生產(chǎn)的高精度導(dǎo)電塑料角位移傳感器，型號為WDD35D4WDD35系列精密導(dǎo)電塑料電位器使用領(lǐng)域廣泛、產(chǎn)品特殊類型很多，有單聯(lián)、雙聯(lián)、長軸、短軸、復(fù)位等多種類型，通過輸出電壓來控制角度偏移量，產(chǎn)品線性精度高，電氣性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于紡織機械、航空、航天、軍事、電工、電子及儀器儀表等領(lǐng)域。主要參數(shù)標(biāo)稱阻值5K總阻值公差精度級15理論電旋轉(zhuǎn)角3455機械轉(zhuǎn)角360（連續(xù)）分辨力無限三、電路設(shè)計31主控電路設(shè)計311MCU及外圍電路設(shè)計本系統(tǒng)以51單片機為核心，通過控制移位寄存器74HC595選擇不同的基準(zhǔn)電流去驅(qū)動待測電阻，利用模擬開關(guān)CD4052實現(xiàn)程控放大器放大倍數(shù)的切換。從單片機ALE端輸出時鐘信號，經(jīng)過由74ALS163和74ALS00組成的分頻電路得到快速和慢速兩種ADC的讀取時基信號。被測電阻RX上的電壓UX經(jīng)過ADCICL7135由單片機讀取出來，最終通過74HC573驅(qū)動數(shù)碼管將測量出來的阻值顯示出來。相關(guān)參數(shù)設(shè)置可通過按鍵操作實現(xiàn)，一些設(shè)置好的參數(shù)存儲在EEPROM24C02中。電阻分選過程中檢測到不符合要求的電阻時，報警電路會給出相應(yīng)提示。圖4312測量速度選擇電路設(shè)計ICL7135的采集速率由同步時鐘決定，本系統(tǒng)采用快速采集和慢速采集兩種采集速率，快速采集時鐘為500KHZ,對應(yīng)采集速率為125次/秒，慢速采集時鐘為250KHZ，對應(yīng)采集速率為625次/秒，相對于快速采集精度較高些。該時鐘由單片機ALE端提供，ALE端輸出脈沖頻率為2MHZ，經(jīng)過同步二進(jìn)制計數(shù)器74ALS163分頻得到500KHZ和250KHZ，由單片機根據(jù)不同情況選擇不同的采樣速率。圖5中74ALS00構(gòu)成互鎖電路，即選擇500KHZ時，125KHZ不會輸出，也就是任意時刻只能有一種采樣速率。（如圖5所示）圖532模擬部分電路設(shè)計321電源電路設(shè)計電源模塊給系統(tǒng)提供12V、8V和5V的直流穩(wěn)壓電源。其中12V是給恒流源電路供電的，8V給程控放大器提供工作電壓，5V是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的供電電源，5V還給單片機及外圍數(shù)字電路供電。圖6322程控放大器設(shè)計如圖7所示，通過單片機控制模擬開關(guān)CD4052選擇不同的比例關(guān)系確實能夠相應(yīng)的放大倍數(shù)（Y0A1,Y1A10,Y2A100），運放采用直流性能優(yōu)越的OP177，由LF356組成低阻輸出電路構(gòu)成程控放大器的反饋環(huán)路，使得程控放大器免受外界干擾，從而提高電路的穩(wěn)定性。圖7323模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計ICL7135的一般接法占用8條以上的端口線，對單片機資源的占用比較大。因此我們采用一種利用BUSY信號特點的轉(zhuǎn)換方式，由BUSY口連接到單片機上，從單片機上直接得出數(shù)據(jù)，大大減少了對單片機資源的占用。ICL7135與單片機連接，采用計數(shù)法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，利用單片機內(nèi)部的計數(shù)器，大大提高了測量精度。（如圖8所示）AGND3CLK2I9REF10T4Z5BU67/HSYOPVU_OHMVM圖8324恒流源電路設(shè)計如圖9所示，由R2、R3、R4、R5及運放U2構(gòu)成反饋回路，將電流基準(zhǔn)電阻RS上流過的基準(zhǔn)電流IS以電壓的形式反饋到比較放大器U1輸入端與基準(zhǔn)電源VREF進(jìn)行比較，C1為積分電容，與運放U1組成比例積分控制電路，控制輸出電流使其穩(wěn)定。通過改變電流基準(zhǔn)電阻RS的阻值可以改變輸出電流IS，本設(shè)計采用MOS管構(gòu)成的電子開關(guān)實現(xiàn)不同阻值的電流基準(zhǔn)電阻的切換，從而根據(jù)待測電阻的阻值范圍選擇不同的輸出電流，以提高待測電阻的測量精度。U12R435SX6C驅(qū)動電路VREFTOAD圖933顯示和按鍵電路設(shè)計這部分電路由三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器74HC573作為數(shù)據(jù)端口驅(qū)動，數(shù)碼管及發(fā)光二極管顯示采用動態(tài)掃描方式，采用74LS145作為數(shù)碼管和按鍵的片選控制。（電路原理圖如圖10所示）圖1034輔助裝置電路設(shè)計EA/VP1X928RSTD7W6IN05LUCHEADRFKG圖11主板上的單片機通過P3接口（串口）將信號傳送給輔助裝置中的單片機，通過單片機P0（數(shù)據(jù)端口）和P2口（控制端口）控制液晶屏描點，通過P1口將脈沖信號發(fā)送給ULN2003放大控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列,由七個硅NPN達(dá)林頓管組成。ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個27K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500MA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。四、元器件清單（主要器件的資料及選用要求）見附錄五、電路印制板本設(shè)計中所有原理圖及PCB均采用PROTELDXP繪制，下面是各PCB板圖。圖12主板頂層PCB圖13主板底層PCB圖14顯示板頂層PCB圖15顯示板底層PCB六、裝配圖及相關(guān)工藝說明圖16主板裝配圖圖17顯示板裝配圖注1元器件的裝配按元器件的高低由低到高依次焊接；2元器件焊接前都應(yīng)先給引腳整形，使其整齊地安裝在PCB板上；3標(biāo)號為3D9二極管應(yīng)豎著焊接；4顯示板中元件編號為2J1從底層插入，焊在其它元件的反面；5元器件密集的部位要小心焊接。七、軟件設(shè)計（流程圖、相關(guān)注釋、程序清單）主程序系統(tǒng)初始化鍵處理測量輸出八、調(diào)試及使用說明圖17顯示面板81設(shè)置方法（分選開關(guān)必須處于關(guān)閉狀態(tài)）按設(shè)置鍵窗口顯示HI片刻自動輸入數(shù)據(jù)，窗口顯示分選上限值XXXX，此時單位燈閃爍，表示當(dāng)前可通過“上”“下”鍵改變上限值的單位。改好后通過按“確認(rèn)鍵”表示對單位進(jìn)行確認(rèn)。按下“確認(rèn)鍵”后，主窗口第一位數(shù)據(jù)閃爍，此時可通過“左右”鍵修改設(shè)定位，“上下”鍵修改當(dāng)前閃爍位的數(shù)值。修改完畢，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)入下限值的設(shè)定，窗口提示信息為LO，下限值設(shè)定過程與上限值的設(shè)定相同。上下限設(shè)定的好處在很多場合，使用者只關(guān)心某一個具體范圍，所以本設(shè)定在分選時采用此方案。除上下限分選還有分比分選方式等，在實際使用中各有利弊。設(shè)定完下限值后，如果數(shù)據(jù)無誤，按“確認(rèn)”鍵退出分選值的設(shè)定；如果數(shù)據(jù)有誤（比如下限大于上限），則會強制重新返回上限設(shè)定。分選過程中如果想放棄，可以通過按下“分選”鍵退出分選設(shè)定，儀器開機默認(rèn)分選關(guān)閉。如按下“分選”開關(guān)，則打開分選。分選結(jié)果可以通過“上超”“下超”及“合格”燈指示分選結(jié)果。如合格，蜂鳴器會發(fā)出聲響，即聲光雙重指示，簡單地判斷分選結(jié)果。使用說明1接通電源后，首先儀器面板上所有的數(shù)碼管和指示燈點亮（可用于檢測數(shù)碼管和LED是否完好），然后參數(shù)顯示窗口顯示開機動畫，用從左往右拉幕的方式顯示儀器型號。注意開機后一開始顯示的3位表示測量夾開路，并不是數(shù)碼管顯示有問題。2儀器開機后，默認(rèn)工作在3位結(jié)果顯示方式。（1）按“速度”鍵可改變儀器的測量速度，快速測量速度為12次/秒，慢速測量速度為6次/秒；（2）按“位數(shù)”鍵可切換測量結(jié)果的位數(shù)，以3位或4位的形式顯示，即最大值為“999”或“9999”；（3）“清零”鍵默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，可用于清除儀器測量底數(shù)。注意“清零”動作只有在測試夾可靠短路后才能進(jìn)行，否則不予響應(yīng)；（4）“分選開關(guān)”默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，表示當(dāng)前分選功能沒有打開。此時按下“分選開關(guān)”，對應(yīng)的狀態(tài)燈顯示“開”。測量后，儀器會根據(jù)事先的設(shè)定完成一次動作。上下限分選值是對所測電阻進(jìn)行分選，分選的結(jié)果可通過訊響器或相應(yīng)的指示燈指示出來。82測試結(jié)果九、總結(jié)本課題以51單片機為核心，控制可控恒流源輸出電流流經(jīng)待測電阻，將待測電阻兩端的電壓經(jīng)過調(diào)理并送至由ICL7135構(gòu)成的AD電路，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送至單片機，根據(jù)RXU/IS即可知道待測電阻的阻值。整個電路系統(tǒng)融合了電路設(shè)計、模擬電路、數(shù)字電路和單片機等課程的知識，采用軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)測量系統(tǒng)的自動化及高精準(zhǔn)度，通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、選用高性能器件和注重電磁兼容的PCB布板提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。課題涉及的學(xué)科內(nèi)容比較豐富，知識點涵蓋比較多，電路所要求的精度比較高，對所需的元器件的要求也很高，為了保證作品的成功率還得考慮電路的抗干擾設(shè)計，所以在設(shè)計電路和實際制作時遇到了不少的困難。雖然困難重重，但是經(jīng)過我們整個團(tuán)隊的齊心協(xié)力和堅持，最終攻克各種難題完成了電路設(shè)計，并將實物制作出來了。電路實現(xiàn)的功能效果雖然不及正規(guī)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，但總體上效果還是不錯的。四天的競賽即將過去了，過程是短暫而辛苦的，但對于我們來說收獲還是很大的。這次競賽培養(yǎng)了我們的團(tuán)隊合作意識，鍛煉我們的協(xié)作能力。這樣的競賽不是靠一個人就能完成的，只有團(tuán)隊齊心協(xié)作，互相配合，才能最終完成，得到理想的結(jié)果。通過實物的制作讓我們對電子產(chǎn)品的基本生產(chǎn)過程有了一個比較全面的了解。本次比賽的賽題基本上是我們學(xué)過課程的綜合應(yīng)用，融合了各科的知識，我們從中認(rèn)識到基礎(chǔ)知識的重要性，只有扎實的基礎(chǔ)加上擴(kuò)散性的思維，做到舉一反三觸類旁通，才能將各學(xué)科知識融會貫通，進(jìn)而做到拓展和延伸。本次比賽的順利完成，離不開學(xué)院大力地支持，在此我們對院領(lǐng)導(dǎo)表示衷心地感謝同時還要衷心感謝盡心輔導(dǎo)我們的指導(dǎo)老師以及給我們提供莫大幫助的同學(xué)們附錄簡易自動電阻測量儀元器件清單序號元件名稱位號參數(shù)封裝數(shù)量備注1電容1C1、1C230PRAD0222獨石電容1C3、1C4、1C5、1C6、1C7、1C8、1C9、2C1、2C2、3C1、3C2、3C3、3C4、3C5、3C6、3C7、3C8、3C9、3C10、3C11、3C12、3C13、3C14、3C15、3C16、3C17、3C1801UFRAD02273電解電容3C19、25V/100UFRB2/414電解電容3C20、25V/47UFRB2/415電解電容3C21、16V/4700URB3/616電解電容3C22、3C23、3C24、3C25、25V/1000URB2/447電解電容3C26、3C39、25V/4700URB4/828電解電容3C27、3C28、3C29、3C30、25V/10UFRB1/249電解電容3C31、50V/10URB1/2110電解電容3C32、3C40、3C4116V/220URB1/2311電解電容3C42、16V/4700UFRB2/4112電解電容3C34、16V/10UFRB1/2113電解電容3C38、16V/1000UFRB2/4114電容3C33、CBB47RAD2CM115電容3C35、105J630VRAD2CM116電容3C36、105J630VRAD2CM117電容3C37、CBB102_63VRAD03118電阻1R1、1R2、1R3、51KAXIAL04319電阻2R1、2R2、2R3、2R4、2R5、2R6、2R7、2R8、33AXIAL04820電阻3R1、3R2、3R3、3R12、3R5、3R6、3R7、3R38、3R20、3R21、3R2210K/05AXIAL04821電阻3R8、47KAXIAL04122電阻3R9、3R10100AXIAL04223電阻3R11、10M/05AXIAL06124電阻3R13、1K/05AXIAL06125電阻3R14、100/05AXIAL06126電阻3R15、3R16、3R17470AXIAL04327電阻3R18、3R19、2K/05AXIAL04228電阻3R26、3R27、R33、R34、R35、100KAXIAL04529電阻3R25、300KAXIAL04130電阻3R28、900/05AXIAL04131電阻3R29、100/05AXIAL04132電阻3R30、9K/05AXIAL04133電阻3R32、3R37、3KAXIAL04234電阻3R36、27AXIAL04135電阻3R31、2K2/1AXIAL04136電感3L1、3L347UHINDUCTOR02237電感3L2100UHAXIAL04138發(fā)光二極管2D01、2D02、2D03、2D04、2D05、2D06、2D07、2D08、2D09、2D10、2D11、2D12、2D13、2D14、2D15、LED011539開光按鈕2S1、2S2、2S3、2S4、2S5、2S6、2S7、2S8、2S9、2S10、ANN1040二極管3D1、3D2、1N5822DIODE04241二極管3D3、3D4、3D5、3D6、3D10、1N4148DIODE04542二極管3D8、3D9、3D11、3D12、3D13、3D14、1N4007DIODE04643穩(wěn)壓二極管3Z1、3Z21N4728DIODE04244穩(wěn)壓二極管3Z34V/05WDI