基于单片机版数字式毫欧表的设计大学论文.docx
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基于单片机版数字式毫欧表的设计大学论文
大学生实践技能培训
题目：
基于单片机版数字式毫欧表的设计
姓名
班级学号
指导教师
摘要
随着科技的日益进步与发展，生活与工业制造中对精度的要求越来越高，尤其一些重要的电器产业，对器件的精度要求很高，电气化时代的到来伴随着一些电气工具的革新，数字式万用表是最常用的工具之一，它是采用“比例法”测电阻的方法实现电阻的测量，虽然精度较之以前有了很大的提高，但是在一些高精尖产业中还是有些欠缺，并不能胜任。
本次设计是基于单片机的数字式毫欧表，比普遍使用的数字万用表最大的区别在于它的精度更高，可以胜任毫欧级电阻的测量，它采用“伏安法”测电阻的方法，利用按键手动调节毫欧表的量程，使用两个运算放大器LM358和三极管TIP41搭建的恒流源电路提供恒定的毫欧级电流输出，可以利用数模转换芯片TLC5615实现电压控制输出恒定的电流，测量时可选三个档位电流的输出分别是1mA、10mA、100mA，对应电阻的量程分别是40.00Ω、4.000Ω、0.400Ω。
由于测量电压信号较小，采用OP07运算放大器搭建放大电路放大一百倍后再经过模数转换芯片TLC1549转化为数字信号后传入单片机AT89C52中进行数据运算与处理，计算得到电阻值由液晶LCD1602显示出来，全电路利用LM7805设计稳压电路提供正5V稳定电源电压，ICL7660小功率极性反转电源转化器给LM358和OP07提供负电压构成电源模块。
关键词：
毫欧表；恒流源；运算放大器；ADC模数转化；液晶显示
［关键词与摘要内容隔行书写，词条用小四号宋体字，词条间用分号（；）隔开，3-5个关键词］
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第一章绪 论
1.1课题背景、目的及意义
数字式毫欧表是由万用表慢慢发展而来的，也是对于数字万用表不能达到的精度做以补充的实用工具，这是一个随着科技的进步和工业的发展而得到的产物，由于它是采用“比例法”测量电阻，这已经在很大程度上相对于之前的万用表测量精度提高了一截，但是由于普通的数字万用表最小测量电阻的的能力仅为0.1
，在测量电动机绕阻、变压器线圈电阻、扬声器音圈电阻、印刷短路铜箔的电阻等毫欧级低电阻值的地方还是力有所逮，误差相对来说太大，在测量小电阻值电阻时精度不足。
数字毫欧表是以单片机为处理核心设计，用来测量毫欧级低电阻值的高精度精密测量仪器仪表，它主要应用于继电器接触电阻、各种微动开关接触电阻、按钮开关开关、波段开关接触电阻、一些小的连接件接触电阻、飞机等交通工具上的金属铆接电阻、电线导体电阻和电缆导体电阻等等微型电阻的测量，这种高精度仪表适用于工矿、质检、电气维护、航天航空、高校实验室等各种有高精度需求的高精尖领域。
数字式毫欧表行业在新世纪之初开始蓬勃的发展，在我国大概于2003年开始兴起，由于工业发展对它的需求很高，经过2004年和2005年的迅速发展以后，到了2006年以后这个行业开始趋于成熟，应用的领域也在不断地扩展，由于它的应用领域的特殊性，这是一个有很大发展空间的行业，而且它未来的发展空间将会更大。
课题研究现状及发展趋势
我国的电工仪器仪表行业可以说是在电子比较成功的一个领域了，因为它是为数不多的而不需要大量进口的一个行业，相反还有不俗的出口量，相对于芯片制造和集成电路方面这是一个非常好的现象，国内的相关企业对于这个行业重视也逐步提高，政府部门对于该行业的监管和质量的把关比较到位，对于新产品开发的重视也让这些企业从中获得很大收益，生产体系的建立与成熟，让生产更规模化、企业化，科技水平的提高使生产质量也得到了国际市场的认同。
当然也是这个产业的技术要求并不是很高，按照我国现在的科技水平可以很好的满足这个行业国际要求的标准，生产出满足大多数应用领域所需的精度要求，而国内充足的劳动力资源是别的国家所不具备的一大优势，这样我们手握价格优势，再加上随着科技的发展，这个行业的发展空间空前的广阔。
从毫欧表市场来看，目前我国的电子测试表行业发展日渐成熟，一些基础的中低档的电工仪器仪表常就不必细说了，单从一些高端的精密度更高的数字表来说，在2010年以后在国内的市场占有率就已经很高了，达到了80%以上，就目前的发展状况来说，未来几年内，我国的电工仪器仪表行业将飞速的发展。
1.1课题工作目标
本课题以单片机微控制器为处理核心，利用硬件和软件相结合的设计方法来设计一个基于单片机的数字式毫欧表，其测量范围在0.1mΩ-40.00Ω之间，设计人机接口电路来控制量程的选择；设计显示电路利用LCD1602来显示测量的结果；利用软件实现数据的传送与处理运算；完成以下的工作内容：
1、设计完成并调试单片机最小系统模块作为中央处理器、LCD1602液晶显示模块来显示被测电阻阻值、电压放大模块将测得的毫伏级小电压数据放大到可以被A/D芯片识别的电压值、A/D转化模块实现电压值得模数转化传送给单片机处理、D/A转化模块将单片机控制的数字量进行数模转化来控制D/A芯片、按键控制模块来控制恒定电流实现电阻量程的切换，以及压控恒流源电路来给被测电阻提供稳定的恒定电流；
2、学习使用常用的Multisim、AltiumDesigner、Proteus等软件绘制原理图，仿真并制作PCB板；
3、制作完成PCB板，完成各个模块的焊接与调试，实现恒定电流的输出和电阻的测量；
编写并调试C语言代码使系统具备毫欧级小电阻的测量功能，并能够在液晶上显示被测电阻的阻值，通过按键控制1mA、10mA、100mA恒定电流的输出，分别测量量程为400.0mΩ、4.000Ω、40.00Ω的电阻，允许测量误差在5%以内。
1.2工作方案
整个系统是由单片机来控制，利用伏安法测电阻的方法，由欧姆定律：
（1-1）
测量得到被测电阻两测得电压和通被测电阻的电流值来计算阻值，为了测量和数据处理方便起见该方案选择控制电流恒定，则只需测量被测电阻两测得电压即可通过单片机计算处理数据得到电阻值，具体方案如下：
1、设计恒流源模块提供恒定电流；
2、设计电压放大模块来放大被测电阻两端电压；
3、设计A/D转化模块实现电压数据的传输与处理；
4、设计单片机最小系统模块控制整体电路；
5、设计D/A转化模块来实现电阻量程的变换；
6、设计液晶显示模块用于显示测量电阻值；
7、设计按键控制模块用于手动选择毫欧表测量量程；
8、编写C语言代码来控制单片机完成数据的采集与处理。
图1-1即是整体方案框架图：
图1-1设计总框图
1.3论文结构
该论文主要分为以下几个部分：
主要包括论文提名、论文摘要、论述关键词、论文目录、论文的正文部分、论文设计的总结结论、论文主要用到的参考文献、致谢和附录部分。
主要介绍一下论文的正文部分；正文部分包括绪论、论文主体。
绪论部分已经基本完成，而论文主体的内容将包括下面介绍的几大方面，论文正文部分具体结构的安排如下：
第1章，绪论。
主要是详细的介绍该课题基于单片机的数字式毫欧表的选题背景、目的和意义，数字式毫欧表的国内外研究状况和单片机等相关领域的发展趋势以及已经取得的一些突破性的研究成果，对基于单片机的数字式毫欧表的一些研究设想，分析该课题的研究方法和做一些相关实验设计，对该课题的研究结果和推广意义做一个设想和预期，对课题的总体方案做一个初步的设计等。
第2章，基于单片机的数字式毫欧表系统的基本原理的介绍。
对于该课题的总体方案做一个较为完整的论述与分析，通过论述或者数据计算分析确定该方案的可行性，通过查阅相关资料详细的分析系统中各个模块的基本原理，设计理念。
第3章，基于单片机的数字式毫欧表系统的硬件设计。
对设计中的具体模块方案的可行性和有效性通过数据或者仿真等效果做一些详细的介绍分析和论述。
对系统每个模块进行详细讨论，对每个模块所用元件或者芯片的原理和电路设计的思路以及方法都做一个详细阐述。
第4章，基于单片机的数字式毫欧表系统的软件设计。
细致的分析说明整个单片机毫欧表系统软件代码的设计思路，详细的介绍整个系统的主程序流程图和各个模块的子程序流程图。
第5章,基于单片机的数字式毫欧表系统的测试与分析。
完成设计的硬件各个模块功能的调试，测试该设计的软件部分，最终完成软件与硬件的联合调试，对整个系统的测试与调试过程做一个记录并对调试和测试测量结果做一个系统的分析，总结在制作该课题过程中所遇到的问题，分析这些问题的原因并对解决这些问题的解决方案做一个讨论与解析。
第2章单片机数字毫欧表系统的基本原理
2.1总体方案选择
毫欧表是用来测量电阻的一种工具，现在已经有好几种方法可以实现电阻的测量，例如比较法、替代法、伏安法等等。
这样就需要从这些测量电阻的方法中选择出最有效最准确和最好用的方法来实现本设计要求的毫欧级电阻的测量，下面我就几种常见的测量电阻的方法做一个介绍与对比[1]。
方案一、比较法测电阻
图2-1比较法测量电阻原理图
比较法测量电阻是最常用的的一种测量电阻的方法，原理比较简单而且测量计算都比较方便，它的前提是保证电阻Rx和R0两端的总电压值不变，如上图2-1中所示，只需一个已知阻值的电阻R0和一个电压表就可以通过测量计算得到未知电阻Rx的阻值：
1、开关K2断开，闭合开关K1，得到未知电阻Rx两端电压U1；
2、将开关K1断开，然后再闭合开关K2，用电压表测得Rx与R0两端的总电压U2。
由于Rx、R0两端的总电压保持不变，就会有：
（2-1）
得到：
（2-2）
比较法测量电阻的前提是在两个串联电阻两端的总电压保持不变，这就需要一个很稳定的电源提供一个恒定的电压给两个电阻，而设计中要测量毫欧级电阻的阻值，电压的微小变化都可能引起测量结果的很大变化，所以在实际测量中这很难满足，设计要求可以测毫欧级电阻，这样一来电阻的阻值R0就很难选定，两次测量电压的过程难免会带入较大的误差，所以这个方案并不能很好的达到设计要求。
方案二、替代法测电阻
图2-2替代法测电阻原理图
如上图2-2是利用替代法测电阻的原理图，图中R0是电阻箱、K2是单刀双掷开关，Rx是被测电阻：
1、打开开关K1，调节滑动变阻器Rw和电阻箱R0到最大；
2、将开关K2接到未知电阻Rx端，闭合K1，调节滑动变阻器Rw使电流表与电压表在表头中心，记录读数；
3、拨动开关K2使其与电阻箱R0相接，然后调节电阻箱读数，使电压表和电流表的读数与前面记录的读数相同，记录电阻箱的读数，此时的电阻箱读数即为被测电阻Rx的阻值。
替代法测电阻即是保证电流或者电压不变，利用调节电阻箱阻值来代替被测电阻的大小，但是它的可操作性不高，和设计要求制作数字式毫欧表相去甚远，而且电阻箱的阻值一般都比较大，很少有毫欧级的电阻，这样测量误差就不可避免的非常大，这种方法也不可取。
方案三、伏安法测电阻
图2-3伏安法测电阻原理图
伏安法测电阻是最简单最常用的一种方法，它是利用欧姆定理:
来实现电阻的测量，通过测量得到被测电阻两端的电压和电流来计算得到被测电阻的阻值，这样更适合单片机处理数据。
这个方案的精度比方案一和方案二都要高，可操作性更强，设计简单方便容易实现，所以最终决定采用这个方案来实现该设计。
2.2恒流源方案选择
伏安法测电阻需要知道被测电阻的电压与电流，为了方便起见可以选择保证恒定电压或者恒定电流，恒压源是很好实现的，但是由于单片机不能识别电流，还需要一个流压转换芯片，但是流压转化芯片的转化范围一般都比较小，很难满足设计要求的0.1mΩ—40Ω的测量范围，不能达到设计要求，所以设计恒流源电路来实现电流恒定，利用单片机测量电压计算电阻值。
下面介绍几种恒流源方案：
方案一、
图2-4恒流源方案一原理图
这是想到的最简单的恒流源方案，方案中要求R1>>Rx，当它成立的时候那么就可以将通过被测电阻Rx的电流看做一个恒定的电流，
，当R1>>Rx时，可以看做
这样保持R1不变，那么该图就是个恒流源，但是当Rx越大时误差会随着变大，精度完全达不到设计要求，所以这个方案不可取。
方案二、
图2-5简单的三极管恒流源电路
简单的恒流二极管与恒流三极管，这是第一反应应该想到的一种方案，恒流二极管用的比较少，因为它的恒流特性并不是很好，而且它的电流规格比较少，再者就是价格比较贵，所以最开始就否定了恒流二极管的选择。
简易恒流源电路是用两只同型三极管来搭建，利用三极管相对比较稳定的be电压作为基准电压，这种恒流源优点是设计简单易行，而且恒定电流的数值可以自由的控制，也没有用到特殊的元件，产品的成本相对较低。
缺点就是不同型号的管子的be电压并不是一个固定的值，即使是相同型号的三极管，也有一些个体差异。
同时在不同的工作电流下，这个be电压也会有一定的浮动。
因此它不适合用于精密的恒流需求，还有一个非常重要的不足就是三极管恒流源电路的输出电流太小了，一般只有十几毫安的恒定电流输出，这和设计要求的100mA的电流输出相差太大，所以这个方案显然也不合适。
方案三、
图2-6压控恒流源原理图
压控恒流源方案就是基准电阻不做改变而只改变恒流源的外围电压大小，外围的输入电压就是加在基准电阻两端的电压，这样基准电阻不变，只需要改变外围电压的大小就可以控制需要输出的电流的大小。
电压控制电路是采用数控的方式，以单片机微控制器为处理核心利用单片机送出电压的数字量，再经过数模转化芯片经过D/A转换转变成模拟电压信号，将电压加在基准电阻两端产生恒定电流，再将该电流送到运算放大器中和大功率三极管中进行输出电流的扩充。
这个方案实质上是通过单片机为核心的软件控制的方法实现恒定的输出电流，可以得到精度比较高的恒定电流的输出，方案可以满足设计要求的功能的实现，而且便于操作，只需要运算放大器、三极管和模数转化芯片就能实现，成本在可以接受的范围内，故选择此方案[2]。
2.3总体方案确定
确定了总方案原理是利用伏安法测电阻，给被测电阻通过恒定不变的电流，测量电阻的电压。
因为电阻值是毫欧级的，如果再通以毫安级的电流，那么得到的电压值将会很小应该是毫伏级的电压，这样难以被ADC芯片识别出来。
在这里可以使用放大电压信号的方法，这样由ADC芯片识别放大后的电压信号并通过单片机计算得到电阻值。
这里恒流源提供的电流必须是毫安级的小电流，因为毫欧表测量对象是阻值比较小的电阻，该设计中最大测量范围是40Ω，这样如果电流太大的话小电阻无法承受，而且如果电流过大的话，就会产生热量过多，温度也是影响电阻值得一个重要因素，这样会给电阻的测量带来较大的误差。
这里只能选择小电流而放大电压信号，小的电压信号经过放大以后在通过AD芯片转换成数字信号来计算，由微控制器单片机来计算并显示电阻.值，具体的方案设计框图见图1-1，图2-1是根据设计要求的毫欧表量程设计的一个电流电压电阻的对照表：
表2-1设计中毫欧表测量范围及输入输出电压及电流情况表
测量量程
输出电流
输入电压
输出电压
放大电压
400.0mΩ
100.0mA
4000mV
40.00mV
4.000V
4000mΩ
10.00mA
400.0mV
40.00mV
4.000V
40.00Ω
1.000mA
40.00mV
40.00mV
4.000V
2.4本章小结
本章主要是对该设计的设计思路做了一个总结，对比较法、替代法等几种常用的测量电阻的方法做了系统的分析与对比，从中选择了伏安法测电阻的方案，对该方案的可行性做了个详细的分析，确定该方案的可行性，介绍了伏安法测电阻是需要注意的恒流源的设计，对伏安法测电阻需要用到的恒流源模块进行了仔细分析，从几种恒流源设计方案中选择了压控恒流源的发难，论述了恒流源方案的选择和运用理论计算阐述了压控恒流源的原理，最后介绍了单片机毫欧表的总体设计方案的思路，对该方案中的几个模块做了简单的介绍。
第3章单片机毫欧表系统硬件设计
3.1单片机数字毫欧表系统硬件组成
基于单片机的数字式毫欧表系统的硬件组成系统主要包括：
单片机模块、压控恒流源模块、A/D模拟数字转换模块、D/A数字模拟转化模块、电压差分放大模块、液晶显示模块、按键控制模块、和电源模块。
3.2单片机最小系统模块
在该设计中我把液晶显示和键盘控制两个小模块也加入到了单片机最小系统模块，主要是因为它们相对来说比较简单，也是和单片机关系比较紧密，在一般的电子电工设计中都会用到，所以该设计的单片机最小系统组成包括时钟电路、复位电路、液晶显示电路和按键控制电路，如图3-1所示：
图3-1单片机最小系统模块框图
图3-2是该设计中的单片机最小系统的原理图，利用包括复位电路、时钟电路、液晶显示电路和按键控制电路以及这些电路中具体用到的电路元件：
图3-2单片机最小系统原理图
3.2.1单片机原理及功能介绍
单片机最小系统模块是整个毫欧表系统的控制核心，该设计中选用的是51系列芯片STC89C52，是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，MCS-51系列单片机是最早的最基本的8位单片机，其内部结构如下图3-3所示，是由8位中央处理器（CPU）、时钟模块、I/O端口、内部程序存储器（ROM）、内部数据存储器（RAM）、2个16位定时计数器、中断系统和一个串行通信模块构成。
图3-351单片机基本结构图
MCS-51单片机的内部模块如上图3-3所示，下面对它的基本功能做一个简单的介绍[3]：
1、中央处理器：
它是单片机的核心单元，主要执行预先设置好的程序代码，51单片机是8位数据宽度的处理器，他能处理8位二进制数据或者代码，CPU可以分为运算逻辑部分可控制逻辑部分，负责数据的运算和逻辑的控制；
2、程序存储器：
最初的51单片机一共有4096个8位掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或者表格，该设计用的STC89C52单片机采用的是Flash存储器；
3、数据存储器：
最开始的51单片机里面有128个8位用户数据存储单元和128个专业寄存器单元，用于程序执行过程中的数据，专用寄存器只能访问并不能存放数据，而用户存储单元则可以存放读写的数据、运算的中间结果或者用户定义的字型表，该设计用的STC89C52单片机则有256个RAM存储单元；
4、中断系统：
51单片机包括两个外中断、两个定时计数器中断和一个串行中断，中断系统根据设置接收单片机的各个中断事件，然后提交给处理器；
5、时钟模块：
时钟模块可以外置振荡晶振和电容以产生整个电路运行的脉冲时序，这样设计人员可以根据外部的时钟源作为工作时钟；
6、可编程串行口：
51单片机内置一个全双工串行通信口，这样该串行口可以根据设置进行串行数据通信；
7、16位定时计数器：
它主要是根据设置进行定时或者计数工作；
8、I/O端口：
单片机与外部设备的接口，主要用于处理外部的输入和将运算结果反馈到外部设备中，进行数据的交换。
51系列单片机性能比较好，运算速率也不低，体积小，价格比较便宜，且使用方便，编程简洁，整体性价比很高，本次设计就选用MCS-51系列单片机中的STC89C52单片机。
3.2.2时钟电路
时钟电路原理图如图3-4所示：
图3-4时钟电路原理图
时钟电路模块是用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而单片机工作过程中各个信号之间的关系我们叫它时序。
单片机内部的所有时序都是由时钟来统一产生的，MCS-51系列的单片机里面自带了一个反向器，所以利用晶体来配合该反向器就可以作为单片机的时钟源，当然也可以利用外部的其他独立时钟源，如上图3-4中所示就是给出了使用晶体作为时钟源的内部时钟方式[4]。
在使用这种内部时钟方式的时候，单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振，单片机内部的反向器自激振荡，输出一个有P1和P2相的双相信号作为单片机的基本定时时钟，具体的频率由晶振决定，而图内的两个电容是起到了微调频率的作用，这里的电容一般都比较小在30pF左右，本设计中用的是22pF的微调电容，晶振则是标准的12MHz晶振[5]。
3.2.3复位电路
复位电路原理图如图3-5所示：
相信用过单片机的人对这个电路非常熟悉，它的主要功能就是给单片机系统提供一个复位信号，让系统进入到复位状态，当系统电源电压稳定后就可以撤销复位信号了，这里需要注意的是系统上电完成以后需要等一段时间后它才能够撤销，这主要是为了防止系统上电过程中电源引入部分上有可能有抖动，这些抖动影响到系统的复位过程[6]。
图3-5复位原理图
上图3-5所示是给出了最简单的RC高电平和低电平复位电路，该图是本设计内的单片机复位电路，该设计中的复位电路就是最简单的RC复位电路。
3.2.4液晶显示
液晶显示模块已经是大多数电子产品的标准配置，它主要是显示数字、汉子、专用符号或者图形等。
在以单片机为处理核心的设备中更是常见，作为的人机交流界面，它一般用发光二极管、数码管、液晶显示器等输出方式。
图3-6是液晶显示电路图：
图3-6液晶显示模块设计
发光二极管和LED数码管是以前最常用的输出方式，它们的软件编程和硬件设计都相对简单，而现在最常用的的是液晶显示器，它的主要原理就是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。
液晶显示按其显示方式可分为段式、字符式、点阵式等。
这是最常用的的分类方式，如果按照驱动方式分类还可以分为静态驱动、单纯矩阵驱动以及主动矩阵驱动这三种。
在该单片机毫欧表系统中我选用LCD1602完成液晶显示模块[7]。
图3-7LCD1602读操作时序图
本设计用到的LCD1602显示是以5V电压驱动，带有背光，可以显示两行字符，每行可显示16个字符，但是不能显示汉字，内部还有128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，并没有串行接口。
LCD1602的硬件连接电路非常简单具体连接见图3-6所示，为了后面软件部分编写代码方便起见这里给出LCD1602读操作时序（图3-7）和写操作时序（图3-8）[8]；
图3-8LCD1602写操作时序图
3.2.5键盘电路
图3-9是按键电路图：
图3-9按键模块电路
该设计中的键盘电路实际上就是由三个独立按键组成的，按键的一端与单片机的I/O口连接，另一端串联接地，通电以后单片机的I/O口都是高电平，然后让单片机不断地扫描检测与三个按键连接的I/O口是否变为低电平，当变为低电平是，说明按键按下，因为当按键被按下时，就相当于该I/O口通过按键与地相连，变为低电平，这样当程序检测到I/O口变为低电平时由软件系统开始调用相应的子程序代码指令来工作[9]。
该设计中键盘电路只是用于改变测量档位，三个按键分别控制毫欧表的三个档位，实质是起到控制单片机D/A口的输出电压，得到相应的恒定电流的作用。
3.3压控恒流源模块
图3-10是该设计中压控恒流源电路图[10]：
图3-10压控恒流源实际电路原理图
该设计中恒流源是由双运算放大器LM358和一个功率放大三极管TIP41搭建而成，因为LM358是双运放，所以为了节约成本这里只用一个LM358来实现，第一个运算放大器构成一个电压跟随电路，第二个运放构成一个负反馈电路来由软件程序控制输出电流的大小，所以这里的输出电流和负载没有关系，负载的变化并不会影响到输出电流[11]。
电路中用的是三极管TIP41，三
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