简易电阻测试仪深职院瑞萨杯.docx
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简易电阻测试仪深职院瑞萨杯
简易自动电阻测试仪
深圳职业技术学院吕俊李诗远毛勇指导教师:
宋荣
摘要:
采用分压法,将基准电阻与被测电阻串连,分别检测基准电阻与被测电阻两端电压,根据分压关系计算得到被测电阻阻值,制作了一台自动电阻测试仪。
该仪器具有量程自动转换、自动筛选、扫描测试、语音提示等功能,使用24比特A/D转换器,大大提高了测量精度。
关键词:
电阻恒流法分压法A/D转换
一、方案选择
1.恒流法测电阻
如图1所示,用恒流源为被测电阻供电,通过A/D转换器采集被测电阻两端电压,则被测电阻阻值为
(1)
式中VX为被测电阻两端电压,I0为恒流源输出电流。
这种测试方法主要有两方面缺陷:
①计算得到的阻值与恒流源输出电流相关,恒流源输出误差直接影响测量结果;②由于A/D转换器的输入范围有限,为了提高测量精度,测量低阻时恒流源电流应增大,而测量高阻时恒流源电流应减小,这种可变恒流源由于量程变化大,制作难度大,精度难以保证。
为简化电路,提高精度,本设计没有采用该方案。
图1恒流法测电阻示意图
2.分压法测电阻
如图2所示,将被测电阻与基准电阻串联,在其两端施加电压,被测电阻、参考电阻上的电压分别为VX、V0,根据分压关系
(2)
可见,RX与VX、V0之比及R0有关,由于VX、V0由同一A/D转换器的两个通道同时测量,温度和环境影响可以消除,实际上RX仅与R0有关。
分压法电路简单,可以实现宽范围测量,故本设计采用这一方案。
图2分压法测电阻示意图
二、量程确定
据(3)式分析可知,若参考电阻较小,在测试高阻值电阻时,V0值很小,测量误差显著增加;相反,若参考电阻较大,在测试低阻值电阻时,VX值很小,测量误差也会显著增加。
为满足0-10MΩ的测量要求,采用“换档法”,即根据测量电阻的范围自动换用合适的参考电阻。
通过实验方法选择选用参考电阻的数量及其对应的测量范围。
分别选用250Ω、500Ω、10K、100K精密电阻(误差为0.5%)对0-10MΩ范围内的电阻进行测量,真实值通过FLUKE-189万用表测量,实测值通过分压法测量,其结果如表1-4所示。
表1以250Ω为基准电阻的实验结果
标称值
2.4Ω
4.3KΩ
10KΩ
12KΩ
真实值
2.410Ω
4.277KΩ
10.390KΩ
11.967KΩ
实测值
2.384Ω
4.289KΩ
10.319KΩ
12.0648KΩ
误差(%)
1.07
0.28
0.68
0.81
表2以500Ω为基准电阻的实验结果
标称值
3.3Ω
3.9Ω
10Ω
1.5KΩ
3.6KΩ
6.6KΩ
真实值
3.15Ω
3.76Ω
10.38Ω
1.492KΩ
3.587KΩ
6.779KΩ
实测值
3.03Ω
3.65Ω
10.23Ω
1.495KΩ
3.595KΩ
6.799LΩ
误差(%)
3.75
2.9
1.4
0.2
0.22
0.29
表3以10K为基准电阻的实验结果
标称值
5K6
33K
100K
200K
真实值
5.550K
32.892K
100.11K
200.18K
实测值
5.546K
32.905K
100.17K
200.30
误差(%)
0.07
0.04
0.06
0.06
表4以100K为基准电阻的实验结果
标称值
22K
33K
470K
1M
4.3M
7.8M
真实值
21.953K
32.964K
471.38K
1.0076M
4.35M
7.8M
实测值
21.944K
32.968K
472.672K
1.0076M
4.329M
7.852M
误差(%)
0.04
0.01
0.26
0
0.96
0.67
根据以上实验结果,确定的参考电阻及其测量范围如下:
L档:
R0=200Ω,测量范围:
0-1KΩ
M档:
R0=20KΩ,测量范围:
1-100KΩ
H档:
R0=200KΩ,测量范围:
100KΩ-10MΩ
三、系统电路设计
1.系统电路框图
系统电路框图如图4所示,包括换档电路、A/D转换器、单片机系统、语音模块、步进电机驱动装置等部分,其中电阻测量电路是一个关键部分,单片机通过A/D转换器采集分压测量电路的两个电压,同时控制继电器进行换档操作,即根据需要改变参考电阻阻值。
图3自动电阻测试仪系统组成
2.电阻测量电路
电阻测量电路包括参考电阻及换档电路,如图4所示。
继电器J1和J2起换档作用,通过J1、J2的动作,可在三个电阻中选择一个作为参考电阻,其动作关系如下:
J1、J2均不动作,选择200Ω作为参考电阻,处于L档,测量范围为:
0-1KΩ;
J1动作、J2不动作,选择20K作为参考电阻,处于M档,测量范围为:
1K-100K;
J1、J2均动作,选择200K作为参考电阻,处于H档,测量范围为:
100K-10M。
运放起阻抗转换作用,以减小测量回路对分压电路的影响,提高测量精度。
图4电阻测量电路
3.单片机系统
如图5所示,选用ATmega128单片机,由于ATmega128单片机是基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器,资源非常丰富,基本没有外围电路。
同时,该单片机C语言开发平台十分成熟,大大提高了开发效率。
为实现曲线显示,采用12864LCD图形点阵液晶显示器。
图5单片机系统
4.A/D采集电路
如图6所示,选用ADS1232作为A/D转换器。
该器件是一款高度集成的delta-sigma模数转换器,用于低电平、高精度测量。
此器件由一个低漂移、低噪声的仪表放大器和一个连接在单片集成数字滤波器上的高阶限幅自稳调制器组成。
可选择性增益可设置为1、2、64、128,+5V参考电压时,允许满刻度差动输入范围从±2.5V到±19.5mV。
该芯片还包括了一个低漂移片上振荡器以及外置晶振,以实现精确的输出数据率,从而同时抑制50Hz及60Hz的频率。
ADS1232输出数据率可为10SPS或80SPS,可达到24比特的转换精度,非常适合于该设计的需要。
ADS1232的+5V基准源由REF02产生。
图6A/D采集电路
5.语音提示电路
该测试仪具有语音提示功能,当处于电阻筛选模式时,可语音提示电阻是否合格。
如图7所示,选用PM60语音芯片,该系芯片具有长秒数,高品质,易录放的特点,是一个整合了录放音电路、快闪存储、ADPCM编、解码器,功率放大器,稳压器等线路的全功能录放系统。
通过播音王软件分别将“该电阻不合格”及“该电阻合格”的文本转换为语音文件,再通过PM60编程器将其写入PM60芯片,选用引脚触发方式,每段语音单独采用一个引脚触发。
图7语音提示电路
6.步进电机驱动机构
在扫描模式,步进电机带动电位器旋转,每旋转一定角度测量电位器阻值,从而描绘电位器角度与阻值的关系曲线。
选用成品步进电机驱动器,由单片机输出步进脉冲及方向控制信号。
关闭控制器细分功能,每脉冲使步进电机旋转1.8度。
7.电源电路
电源电路包括测量电路运放所需的±12V电源、+1.8V电源及单片机系统需要的+5V电源。
测量电路运放所需的±12V电源采用LM7812及LM7912产生,如图8所示,+1.8V电源由ASM1117-1.8产生。
单片机需要的+5V电源所需功率比较大,使用开关电源LM2575产生,如图9所示。
图8±12V电源
图9单片机系统所需的+5V电源
四、软件设计
1.程序功能与设计思路
按设计要求,本程序需实现的三个主要功能是自动换挡测量电阻、自动筛选电阻、自动电阻扫描。
为实现上述功能,程序需包含A/D芯片驱动子程序、键盘扫描芯片驱动子程序、液晶绘图子程序、语音和电机驱动子程序等。
2.主程序流程图
主程序主要作用是使用户能够通过键盘进入和退出相应工作模式,流程如图10所示。
图10主程序流程图
3.电阻测量模式流程图
该功能程序的主要功能是通过对相应继电器操作,实现了档位自动切换,采用中间档位对待测电阻进行粗略测量,根据粗测值进行通道切换,再进行精确测量,其流程如图11所示。
图11电阻测量模式流程图
4.电阻筛选模式流程图
该功能函数作用是进行电阻筛选。
通过调用电阻测量函数,将测量电阻与用户键盘输入阻值及误差范围进行比较判断,将判断结果进行实时显示及语音播报,流程图如图12所示。
图12电阻筛选模式流程图
5.扫描模式流程图
扫描模式主要是使用步进电机驱动电位器,然后用液晶绘点程序对实时变化电位器阻值进行显示,其流程图如图13所示。
图13电阻扫描模式流程图
五、操作说明
该电阻自动测试仪具有三种模式:
普通模式、电阻筛选模式及扫描模式,具体说明如下:
在模式选择状态下,按“FUN”选择进入普通模式,该模式可测量0~10MΩ之间的任何电阻;在模式选择状态下,按“FUN”选择进入电阻筛选模式,按“+、-”调节电阻设置数值及允许误差,设置完毕,按“ENT”进入筛选测量;在模式选择状态下,按“FUN”选择进入电阻扫描模式,按“ENT”键开始电位器扫描测量;任何状态下,按ESC键返回模式选择界面。
六、主要特色与创新
⑴0-10MΩ全量程自动切换
⑵测量范围大于10MΩ,最高达30MΩ
⑶筛选模式具有语音提醒功能
⑷大屏幕液晶显示及菜单功能,扫描模式可显示曲线
七、测试结果
分别用该自动电阻测试仪对0-10MΩ范围内的9种阻值的电阻进行测量,结果如表5所示。
表5自动电阻测试仪测试误差验证
真实值
(Ω)
2.4
620
910
2K
75K
90K
110K
750K
7.8M
测量值
(Ω)
2.38
619
911
1.99K
75.1K
90.1K
109K
753.7K
7.85M
误差(%)
0.8
0.16
0.11
0.5
0.133
0.11
0.91
0.49
0.64
结论:
该自动电阻测试仪在0-10MΩ范围内测试误差小于1%,满足设计要求。
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