基于C8051F005單片機(jī)的小電阻測試儀

1、引言
    在電路測試過程中常常會碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大誤差，從而影響測試效果。例如電感器、變壓器中往往存在銅電阻，地鐵鐵軌的電阻；由于其數(shù)值較小，一般的指針萬用表無法測量出來；通常實(shí)驗(yàn)室里會用電橋進(jìn)行測量，但電橋操作手續(xù)較煩，又不能直接讀出被測電阻阻值。鑒于此，我們采用了單片機(jī)，利用單片機(jī)的優(yōu)勢設(shè)計(jì)了該測量儀。該測量儀可直接從LCD顯示屏上讀出所測得的電阻值，測量范圍為10μΩ～2.9999kΩ，同時可以把測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，然后經(jīng)串行口送入上位機(jī)，通過上位機(jī)的強(qiáng)大功能，可以對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。該測試儀的測量精度高達(dá)±0.1%，并采用四端測量法，電阻值不受引線長短及接觸電阻的影響。不僅測量簡便，讀數(shù)直觀，且測量精度、分辨率也高于一般電橋?？捎糜趯?shí)驗(yàn)室、研究所，尤其適用于工作現(xiàn)場。

2、測試原理
 
    如上圖本機(jī)的基本原理是采用在被測電阻上通過已知的恒定電流,取出被測電阻上的壓降，經(jīng)放大器放大轉(zhuǎn)換為0～3V直流電壓，然后送入C8051F005A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，經(jīng)單片機(jī)處理，最后經(jīng)過液晶顯示器直接顯示電阻阻值。
    由于要實(shí)現(xiàn)對微小電阻的測量，所以要求放大器的分辨率高(高潮達(dá)10μV)，線性度好，輸入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，為此我們設(shè)計(jì)了如圖2中信號處理電路所示的差動放大器。此放大器由運(yùn)放A1、A2組成第一級差分式電路，A3組成第二級差分式電路，R3、R4、RW組成反饋網(wǎng)絡(luò),引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故有較高的輸入阻抗，且A1、A2都選同相端作為輸入端，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再經(jīng)過A3組成的差分式電路，可以互相抵消，故它有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓；A4是電壓反向跟隨器，其作用是使前后級隔離。分析此電路可得下列方程。

    當(dāng)R5= R7、R6= R8時，上述方程化簡可得：

    從(3)式知輸出電壓U4與被測電阻RX成正比。放大器的倍數(shù)由R3、R4、RW而定，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～3V，本儀器設(shè)置放大器的放大倍數(shù)為10倍，在U4端得到0～3V的直流電壓。為了保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，除上述電路本身優(yōu)點(diǎn)外，集成運(yùn)放A1、A2、A3選用了高精度、低噪聲、低漂移的max495，反饋支路的電阻均選用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。測試時被測電阻與測試儀器間采用四端接線法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測量時用四根專用導(dǎo)線與被測電阻Rx連接，當(dāng)被測電阻較小時，為了避免導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響，四根連接導(dǎo)線要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。

3、小電阻測試儀的硬件設(shè)計(jì)
    該儀器的核心部分是能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的電路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機(jī)C8051F005。該系統(tǒng)主要包括電源電路、信號采集電路、信號放大電路、液晶驅(qū)動及顯示電路、串行通訊電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）。系統(tǒng)各部分的詳細(xì)電路如圖2所示。
3.1、C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路
    本系統(tǒng)使用的是C8051F005，它具有如下特點(diǎn)：
 片內(nèi)有多達(dá)60KB的Flash ROM和2KB RAM，用戶無需再外擴(kuò)存儲器；
 一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，自帶采樣保持功能；
 兩通道串行通訊接口，可用于異步或同步模式；
 一個模擬比較器，可實(shí)現(xiàn)電壓比較或基準(zhǔn)電壓的輸出。
    ADC12是12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶有采樣保持功能，具有高速、通用的特點(diǎn)。它有8個外部信號采樣通道和4個內(nèi)部通道。由差動放大器輸出的信號由通道0輸入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換的時鐘、轉(zhuǎn)換模式和參考電壓源都可以由用戶用軟件設(shè)置。
    由于該單片機(jī)內(nèi)部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設(shè)計(jì)變得簡單，還可以大大縮小電路板的尺寸。另外，在電路板上預(yù)留一個JTAG接口，再配以一個普通的PC機(jī)，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的調(diào)試。
 
圖2、系統(tǒng)詳細(xì)電路圖

3.2、串行通訊電路
    C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成了兩個通用串行同步/異步模塊USART0和USART1，均支持兩種不同的串行協(xié)議，即；通用異步協(xié)議（UART協(xié)議）和同步協(xié)議（SPI協(xié)議）。本電路采用UART協(xié)議，再通過一個RS232接口芯片MAX3221E與PC機(jī)通訊。
    MAX3221E是工作電壓為＋3.0～＋5.5V、僅需1μA的供給電流且具有自動關(guān)閉功能的單路RS－232收發(fā)器。C8051F005單片機(jī)的一大特點(diǎn)就是低功耗，它有多種功耗狀態(tài)可以編程控制。MAX3221E也是具有低功耗特點(diǎn)的接口器件，通過EN、FORCEON、FORCEOFF引腳可以控制驅(qū)動器、接收器的工作狀態(tài)，啟動或禁止自動降低功耗功能，從而使其工作在不同的能耗狀態(tài)，達(dá)到降低功耗的目的。
3.3、電源電路
    本系統(tǒng)采用電池供電，這樣既可以保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠又可便于在實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境下使用。
3.3、LCD驅(qū)動及顯示電路
    LCD顯示選用型號為SMS0501C段碼顯示驅(qū)動器。該液晶顯示器的接口方式為二線式串行接口，顯示方式為反射式正顯示，工作電壓為2.7V~5.5V。
3.4、其他電路
    除了以上幾個主要的電路外，系統(tǒng)還有電源欠壓檢測電路和系統(tǒng)復(fù)位電路等。電源欠壓檢測電路采用的是C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成的模擬比較器來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)復(fù)位電路采用按鈕復(fù)位形式，利用電容的充放電對單片機(jī)進(jìn)行正確復(fù)位。當(dāng)按鈕被按下時，C8051F005單片機(jī)的RST引腳即為低電平，只要這個低電平保持2個機(jī)器周期以上，單片機(jī)即可正確復(fù)位。

4、軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，整個程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、串行通訊程序、定時器中斷程序、LCD顯示程序。所有的程序均采用C語言編寫，可以很方便地調(diào)試和下載程序代碼。限于篇幅，本文只給出主程序的流程圖，如圖3所示。
    系統(tǒng)的主程序主要完成C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)的初始化、設(shè)置系統(tǒng)時鐘和中斷字，調(diào)用鍵盤處理程序，根據(jù)不同的按鍵轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序，完成不同的功能，如數(shù)據(jù)的采集與處理、串行通信以及歷史記錄的查詢。其中串行通訊子程序不僅可以將單片機(jī)存儲的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理分析，用戶也可以根據(jù)情況從PC機(jī)上設(shè)置待測數(shù)據(jù)多少以及測試時間的長短等。

5、結(jié)束語
    根據(jù)如上所述的電路原理，開發(fā)出了樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該儀器的功耗低，這樣就大大增加了電池的使用壽命；體積小，重量輕，便于攜帶，很適合在野外及工作現(xiàn)場使用；
    測試準(zhǔn)確，該儀器在對10μΩ～10Ω的微小電阻測試時讀數(shù)穩(wěn)定性也較好，且測量精度高。