2023年简易电阻自动测试仪毕业设计.doc

简易自动电阻测试仪设计报告 摘 要 电阻测试仪，是电子器件测量、分选不可缺少的工具，主要用于测试变压器、电机、互感器等设备的直流电阻，具有不受电抗影响、测量精度高、测试速度快及可用于方便地进行分选特点。 简易自动电阻测试仪是以51单片机为核心，其工作原理是控制可控恒流源输出电流流经被测量电阻，将被测量电阻两端的电压经过调理并送至由ICL7135构成的AD电路，被测信号经AD转换送至单片机得出被测量电阻的阻值。 本仪器有四档恒流源分别对应四个量程，通过单片机发送量程信号可以方便地进行量程的切换。显示及按键模块采用动态扫描方式，在程序中通过定时器自动扫描显示及键检测可自动显示小数点和单位以及进行各种特效显示。 关键词：电阻测试仪，单片机，可控恒流源，ICL7135，程控放大器 一、概述 1.1课题要求 1、根本要求 〔1〕测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。测量准确度为±〔1%读数＋2 字〕。 〔2〕3 位数字显示〔最大显示数必须为999〕，能自动显示小数点和单位,测量速率大于5 次/秒。 〔3〕100Ω、1kΩ、10kΩ三档量程具有自动量程转换功能。 2．发挥局部 〔1〕具有自动电阻筛选功能。即在进行电阻筛选测量时，用户通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值的同时，给出该电阻是否符合筛选要求的指示。 〔2〕设计并制作一个能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线的辅助装置，要求曲线各点的测量准确度为±〔5%读数＋2 字〕,全程测量时间不大于10 秒,测量点不少于15 点。辅助装置连接的示意图如图1 所示。 〔3〕其他 图1 辅助装置连接示意图 1.2课题分析 根据上述要求可知，系统中需要含有一个智能控制核心，本设计拟采用以51单片机作为系统的控制核心。采用单片机控制单刀多掷开关实现不同阻值量程的档位切换。由要求第二点可知，系统采集数据的速率要大于5 次/秒，即系统中用于数据采集的模数转换器的采样速率要大于一定值。由单片机控制显示器显示数字、小数点及单位。控制单元根据采集到的数据判断是否在临界点上，如果在临界点上，那么控制量程自动切换，为防止数据大幅跳动，切换过程具有迟滞效应。 电阻自动筛选功能，可由单片机核心控制程序实现，根据按键设定的输入数据，将测得的数据与设定值进行比拟，电阻值在允许误差范围内，显示合格，超出允许误差范围，显示偏高或偏低，并发出报警。 辅助装置的设计与制作，将电机与电位器轴承连接起来，让电位器随电机转动而转动，电机由辅助装置的单片机控制，电阻测试仪通过串口将所测阻值传送给辅助装置中的单片机，该单片机根据相应数值驱动液晶屏描点，显示电位器随电机转动的阻值变化曲线。 二、方案设计〔原理说明及选用依据〕 2．1方案筛选 本课题一般有两种方案可实现。 方案一：电桥法测电阻根本电路原理图如下： 图2 电路由R1、R2、R3及待测电阻Rx组成电桥，R1、R2、R3的阻值均为，假设Vcc为固定值，那么B点电位也为固定值。A点电位随Rx变化而变化，通过差分放大器U1读出UAB，根据VA=UAB-VB可求出A点电位，由上面原理图可知Rx=〔VAxR1〕/(Vcc- VA),那么可以得出待测电阻Rx的阻值。 方案中要求Vcc及B点电位很稳定，因此就需要R1、R2、R3的阻值很稳定，这样它们的精度要求就比拟高。。要求VCC很稳定，对电源的要求就比拟高，实际操作中，稳定的电源电压不易实现，而且电阻存在温漂问题，所以要求Vcc及B点电位很稳定实际操作起来比拟困难。 方案二：恒流法测电阻系统框图如下： 图3 如图3所示，可控恒流源模块给待测电阻Rx提供恒定电流Is,Rx上即产生电压Ux，通过A/D由单片机读出电压Ux，根据 Rx=Ux/Is 得出Rx阻值。此方案精度可以做得比拟高，实际操作难度适中。故本课题选方案二进行电路设计。 2．2元器件选型及主要器件介绍 本系统中单片机采用宏晶科技的STC89C52,可控恒流源及程控放大器中采用的运算放大器为直流性能非常优越的OP177，为了确保可控恒流源提供的电流稳定，系统中采用的电流基准电阻均为0.5%精度，模数转换器采用ICL7135，显示电路由四位数码管及相关的发光二极管组成，输入设备由10个按键构成，辅助装置中的电位器采用上海新跃仪表厂生产的WDD35D4。 下面对主要元器件进行介绍： 〔1〕ICL7135    ICL7135是4位双积分A/D转换芯片，可以转换输出±20230个数字量，有STB选通控制的BCD码输出，与微机接口十分方便。ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换)，价格低的优点。其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有：自校准(调零)，正向积分(被测模拟电压积分)，反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个脉冲，正向积分时间为10000个脉冲，反向积分直至电压到零为止(最大不超过20231个脉冲)。故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数。将计数的脉冲个数减10000，即得到对应的模拟量。图1给出了ICL7135时序，由图可见，当BUSY变高时开始正向积分，反向积分到零时BUSY变低，所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。 图1 1CL7135时序 ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图2所示：              图2 1CL7135芯片引脚 ICL7135主要参数： 电源电压 V+ +6V 温度范围 0℃ to 70℃ V- -9V 热电阻 PDIP封装 qJA(℃/W) 55 模拟输入电压 　 V+ to V- 最大结温 150℃ 参考输入电压 　 V+ to V- 最高储存温度范围 -65℃ to 150℃ 时钟输入电压 　 GND to V+ 　 〔2〕超高精度运算放大器 OP177 OP177是目前精度性能最高的运算放大器之一。失调电压在室温下的最大值仅为25 μV。OP177的超低VOS结合出色的0.1 μV/°C失调电压漂移最大值，无需进行外部VOS调节，从而可提高整个温度范围内的系统精度。 OP177在整个±10 V输出范围内的开环增益维持在12 V/μV。这款运算放大器的性能极其出色，例如CMRR最小值可达130 dB，PSRR最小值可达120 dB，电源电流最大值可达2 mA。诸多优异的规格参数可确保OP177在高闭环增益应用中的精确性能。 作为低噪声、双极性输入运算放大器，OP177也是斩波稳定放大器的经济替代方案。在提供斩波器级性能的同时，它没有噪声高、低频斩波器尖峰、物理尺寸过大、共模输入电压范围有限和外部储能电容器体积过大等常见问题。 OP177的温度范围为−40°C至+85°C扩展工业温度范围。该产品提供8引脚PDIP封装及节省空间的8引脚SOIC封装。 〔3〕精密导电塑料电位器 为了确保辅助装置中电位器的精度和线性度，故而本电路中采用上海新跃仪表厂生产的高精度导电塑料角位移传感器，型号为WDD35D4. WDD35系列精密导电塑料电位器使用领域广泛、产品特殊类型很多，有单联、双联、长轴、短轴、复位等多种类型，通过输出电压来控制角度偏移量，产品线性精度高，电气性能稳定，广泛应用于纺织机械、航空、航天、军事、电工、电子及仪器仪表等领域。 主要参数： 标称阻值 5KΩ 总阻值公差 精度级±15% 理论电旋转角 345º±5 º 机械转角 360 º〔连续〕 分辨力 无限 三、电路设计 3.1主控电路设计 3.1.1MCU及外围电路设计 本系统以51单片机为核心，通过控制移位存放器74HC595选择不同的基准电流去驱动待测电阻，利用模拟开关CD4052实现程控放大器放大倍数的切换。从单片机ALE端输出时钟信号，经过由74ALS163和74ALS00组成的分频电路得到快速和慢速两种ADC的读取时基信号。被测电阻Rx上的电压Ux经过ADC ICL7135由单片机读取出来，最终通过74HC573驱动数码管将测量出来的阻值显示出来。相关参数设置可通过按键操作实现，一些设置好的参数存储在EEPROM 24C02中。电阻分选过程中检测到不符合要求的电阻时，报警电路会给出相应提示。 图4 3.1.2测量速度选择电路设计 ICL7135的采集速率由同步时钟决定，本系统采用快速采集和慢速采集两种采集速率，快速采集时钟为500KHz,对应采集速率为12.5次/秒，慢速采集时钟为250KHz，对应采集速率为6.25次/秒，相对于快速采集精度较高些。该时钟由单片机ALE端提供，ALE端输出脉冲频率为2MHz，经过同步二进制计数器74ALS163分频得到500KHz和250KHz，由单片机根据不同情况选择不同的采样速率。图5中74ALS00构成互锁电路，即选择500KHz时，125KHz不会输出，也就是任意时刻只能有一种采样速率。〔如图5所示〕 图5 3.2模拟局部电路设计 3.2.1电源电路设计 电源模块给系统提供±12V、±8V和±5V的直流稳压电源。其中±12V是给恒流源电路供电的，±8V给程控放大器提供工作电压，±5V是模数转换电路的供电电源，+5V还给单片机及外围数字电路供电。 图6 3.2.2程控放大器设计 如图7所示，通过单片机控制模拟开关CD4052 选择不同的比例关系确实能够相应的放大倍数〔Y0:A=1,Y1:A=10,Y2:A=100〕，运放采用直流性能优越的OP177，由LF356组成低阻输出电路构成程控放大器的反响环路，使得程控放大器免受外界干扰，从而提高电路的稳定性。 图7 3.2.3模数转换电路设计 ICL7135的一般接法占用8条以上的端口线，对单片机资源的占用比拟大。因此我们采用一种利用BUSY信号特点的转换方式，由BUSY口连接到单片机上，从单片机上直接得出数据，大大减少了对单片机资源的占用。ICL7135与单片机连接，采用计数法进行A/D转换，利用单片机内部的计数器，大大提高了测量精度。〔如图8所示〕 图8 3.2.4恒流源电路设计 如图9所示，由R2、R3、R4、R5及运放U2构成反响回路，将电流基准电阻Rs上流过的基准电流Is以电压的形式反响到比拟放大器U1输入端与基准电源Vref进行比拟，C1为积分电容，与运放U1组成比例积分控制电路，控制输出电流使其稳定。通过改变电流基准电阻Rs的阻值可以改变输出电流Is，本设计采用MOS管构成的电子开关实现不同阻值的电流基准电阻的切换，从而根据待测电阻的阻值范围选择不同的输出电流，以提高待测电阻的测量精度。 图9 3.3显示和按键电路设计 这局部电路由三态数据缓冲器74HC573作为数据端口驱动，数码管及发光二极管显示采用动态扫描方式，采用74LS145作为数码管和按键的片选控制。〔电路原理图如图10所示〕 图10 3．4辅助装置电路设计 图11 主板上的单片机通过P3接口〔串口〕将信号传送给辅助装置中的单片机，通过单片机P0〔数据端口〕和P2口〔控制端口〕控制液晶屏描点，通过P1口将脉冲信号发送给ULN2023放大控制步进电机的转动。 ULN2023是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2023 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2023 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 四、元