电阻测量系统设计说明

《电子系统设计》课程设计题目：电阻测量系统设计

自动电阻测试仪

【摘要】本简易自动电阻测试仪具有手动四档及自动三档量程转换电阻测试功能，以单片机为控制核心，使用仪表运放来精确采集被测电阻两端电压，经过模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，以便单片机进行处理。最后通过LCD12864液晶显示出结果，能自动显示小数点和单位；并且该装置具有电阻自动筛选和自动测量显示电位器变化曲线的功能。实验结果表明，本系统完全达到设计要求，多项指标优于题目要求。

【主要技术】(1) 通过编程来实现对电阻值的直接测量

(2) 12位A/D转换技术

（3) 量程转换技术

（4）液晶显示器的有效应用

（5）串并转换技术

（6) 通过单片机控制电机实现对电位器的自动控制

【关键词】模数转换；自动量程转换；INA114；电阻；MCU；液晶显示；

目录

一、系统方案 (4)

1.1 设计要求 (4)

1.1.1 任务 (4)

1.1.2 要求 (4)

1.2 总体方案 (5)

1.2.1 方案论证与比较 (5)

1.2.2系统组成 (5)

二、理论计算与电路分析 (6)

2.1 电阻测量原理 (6)

2.2.1测量电路 (6)

2.1.2基准电压电路 (7)

2.2 自动量程转换与筛选的设计 (7)

2.2.1 自动量程转换 (7)

2.2.2 筛选功能 (8)

2.3 电位器阻值变化曲线装置的设计 (8)

三、电路与程序设计 (8)

3.1 电路设计与分析 (8)

3.1.1 电源模块 (8)

3.1.2 测量及转换模块 (9)

3.1.3 控制显示模块 (10)

3.1.4 辅助装置 (10)

3.2 程序流程图设计 (11)

四、系统测试方案与结果 (13)

4.1 测试条件 (13)

4.2 测试方案 (13)

4.3 测试结果及分析 (13)

五、结论和系统特色 (14)

一、系统方案

1.1 设计要求

1.1.1 任务

设计并制作一台简易自动电阻测试仪。

1.1.2 要求

（1）基本要求

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）发挥部分

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 辅助装置连接的示意图

1.2 总体方案

1.2.1 方案论证与比较 （1）电阻信号的采集 方案一：恒流法

恒流法的依据是信号源阻为无穷大，电流恒定。此特性对于测量本题中小于10k Ω的电阻有较高的精度，但在测量阻值较高的电阻时，一方面被测电阻X R 的压降过大，有可能进入非线性区；另一方面，实际电流源的阻不可能为无穷大，大阻值的电阻已接近电流源的阻，此时电流源阻的分流已不能忽略，从而影响测量精度。

方案二：恒压法

恒压法的依据是信号源阻为0，电压恒定，此特性对测量中高阻值电阻有较高的精度，但测量较小阻值电阻时也会存在一定的误差。

方案选择：本设计偏重于中高阻值电阻的测量，故选方案二，并且通过与标准电阻串联分压方式减少测量小电阻时的误差。

（2）自动量程的转换

方案一：采用多量程开关MPC509切换不同阻值的标准电阻。优点：易于控制，电路简单。缺点：器件本身有1k Ω电阻，对测量结果有较大影响。

方案二：采用继电器来切换标准电阻。优点：器件无电阻，对测量结果影响小，易于控制。缺点：电路稍显复杂，切换有响声。

方案选择：本设计要求准确度达到()2100+±，故采用方案二。 （3）信号转换

方案一：采用单片机部的A/D 转换器。优点：电路结构简单。缺点：转换速度慢，干扰大，准确度达不到要求。

方案二：外接12位ADS805 A/D 转换器。优点：转换速度快，准确度高。缺点：外围电路复杂，占用较多的I/O 口。

方案选择：本设计侧重于高准确度，因此采用方案二。 1.2.2系统组成

本系统组成框图如图2所示。

图 2 系统框图

二、理论计算与电路分析

2.1 电阻测量原理

2.2.1测量电路

采用串联电阻分压的方式来确定测量电阻，如图3 所示。

根据欧姆定理可知，只需测出X R 两端电压和流过它的电流就可计算出X R 。由图３可知X

X X U R U R -=51 ，使用了TI 公司生产的仪表放大器INA114测量X U 的

值，X O U U =，测出O U 的值即可知被测电阻值。

INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小、精度高、价格低廉,可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD 传感器和医疗仪器等。INA114只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值,部输入保护能够长期耐受±40V,失调电压低（50μV）,漂移小（0.25μV/℃）,共模抑制比高（G=1000时为50dB ）,用激光进行调整,可以在±2.25V 的电压下工作,使用电池（组）或5V 单电源系统,静态电流最大为3mA 。INA114采用8引脚塑料封装或SOL-16表面封装贴件,使用环境温度为-40℃～+85℃。

X R 1

R +

-

+5V

X

U O

U INA114

图 3 测量电路

2.1.2基准电压电路

为了使测量更精准，必须提供准确稳定的+5V 电压。因此采用三端可编程并

联稳压管TL431构成+5V 串联稳压器。输出电压V 55.2213

2=?=????

? ?

?+=ref O V R

R V 电路如图4所示。

仪器公司（TI ）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。其输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf （2.5V ）到36V 围的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。

+

TL431

10uF

3k Ω

8050

1k Ω

+9V

+5V

1

R 2

R 1k Ω

3

R 1

C O

V

图 4 +5V 基准电压电路 图5 量程转换电路

2.2 自动量程转换与筛选的设计

2.2.1 自动量程转换

自动量程转换功能的实现由单片机检测X U 值的大小来切换相应档位的继电器是否导通，从而实现电阻测量量程的自动转换，电路如图5所示。

自动量程采用由高位档向低位档逐档比较的切换方式。当由手动量程转换切到自动量程转换测量时，继电器自动切换到10k Ω档位，当测试出的X U ＞2.500V

时（即被测电阻≥10k Ω），则超出自动测量围，并显示“超出量程”；当0.476V ≤X U ＜2.500V 时（即1k Ω≤被测电阻＜10k Ω），则档位不变，并显示测量电阻值；当X U ＜0.476V 时(即被测电阻＜1k Ω)，则档位切换到1k Ω档位。

当切换到1k Ω档位时，再次检测X U 值，当测得0.476V ≤X U 时（即被测电阻≥100Ω）,则档位不变，并显示测量电阻值；当测得X U ＜0.476V 时（即被测电阻＜100Ω），则档位切换到100Ω档位。

当切换到100Ω档位时，则直接显示测量电阻值。

2.2.2 筛选功能

筛选功能先计算出设定阻值的围，假设要求的电阻值为Y R ,误差值为ε，则电阻筛选围为（Y R －ε）~（Y R ＋ε）。测量时将电阻测试仪调到自动档，测量出被测电阻的阻值X R ，然后判断X R 是否在筛选围里，若在此围则显示筛选符合要求并显示具体阻值，否则显示不符合筛选要求。

2.3 电位器阻值变化曲线装置的设计

将小型直流电机的转轴与4.7k Ω旋转式单圈电位器相连，从电位器引出两点用于测量显示，为了能准确显示被测电位器阻值从0~4.7k Ω的变化，本装置在电位器的零欧姆位置安装了行程开关，用于控制电位器从零开始变化。

三、 电路与程序设计

3.1 电路设计与分析

从整体来看，本测试仪由供电系统（即电源模块）、电阻测量及量程转换模块、控制运算及显示模块。

3.1.1 电源模块

电源电路如图6所示，采用LM317和LM337来输出±12V 、±8V 、+5V 。LM317

和LM337输出电压精度更高。+5V用于给单片机供电；+8V经过TL431稳压成标准的+5V提供测量电阻的基准电压。+5V用于ADS805供电。±12V用于仪表运放INA114供电。

图 6 电源电路

3.1.2 测量及转换模块

电阻值测量电路及自动量程转换电路，如图7所示。用红黑表笔测量被测电U并送入单片机，即显示出相应阻值。通过单片机输出的控制信号来阻，得出

O

调节继电器KM的切换，进而控制了量程的转换。

图 7测量及量程转换电路

3.1.3 控制显示模块

单片机控制显示模块如图8所示，控制电路采用外接AD，单片机部自带的AD只有10位，不能满足本设计中对准确度1%的要求，因此采用外接12位的ADS805。采集的电压信号经过OPA2209跟随到AD中，使用OPA2209起到输入阻抗的变换，减小AD对信号的影响。由于控制采集信号需要大量I/O口，导致单片机的接口不够用，因此在显示电路部分，采用了两个74HC595来节省显示部分的接口。

74HC595是硅结构的CMOS器件，具有8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器、一个存储器和三态输出功能。

图 8 单片机控制及显示模块

3.1.4 辅助装置

辅助装置是将小型直流电机的转轴与4.7kΩ旋转式单圈电位器相连，从电位器引出两点用于自动测量显示电位器阻值随旋转角度变化的曲线。由于单片机输出的信号不能驱动电机，因此在电路设计中采用TA8428K驱动直流电机，如图9所示。东芝双极型线性集成电路TA8428K 用于电机旋转控制，电机的正转，反转，停止和制动操作可供选择，具有热关断和短路电流保护等功能，输出电流的峰值为3.0 A。

图9 辅助装置连接电路图3.2 程序流程图设计

程序设计的总体思路如图10所示。

图 5程序流程图

四、 系统测试方案与结果

4.1 测试条件

（1）仪器

UT60D 三位半数字万用表 一台 UT71A 四位半数字万用表 一台

（2）环境条件

测试环境温度在26℃左右。

4.2 测试方案

将自动电阻测试仪分别调到100Ω档、1k Ω档、10k Ω档和10M Ω档测量量程围的不同阻值的电阻a R ，并记录结果。然后用四位半数字万用表分别测量被测电阻的阻值b R ，利用公式求出准确度()0

b

b a R R R Q -±

=。

4.3 测试结果及分析

不同档位的电阻测试结果如表1所示，通过测试数据可知，其测量准确度达到设计要求，能自动显示小数点和单位，测量速度远远大于5次/秒，并实现了100Ω档、1k Ω档和10k Ω档三个档的量程自动转换功能。

表 1 不同档位准确度测试结果 测量值

实际值 准确度(%) 平均准确度(%) 100Ω档/Ω

98.2 98.73 ﹣0.53 ﹣0.50 10.9 11.00 ﹣0.90 74.2 74.26 ﹣0.08 1k Ω档/k Ω

0.991 0.9890 0.20 0.53 0.534 0.5318 0.40 0.201 0.1990 1.00 10k Ω档/ k Ω

9.13 9. 0.47 0.54 1.19 1.1860 0.33 4.68 4.641 0.84 10M Ω档/M Ω

0.991 0.9890 0.20 0.63 4.85 4.885 0.71 9.82

9.92

1.00

自动电阻筛选测试结果如表2所示，测量时该测试仪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，经测试完全符合设计要求。

表 2 自动筛选测试结果 设定值 误差值 测量值 是否符合要求

1 75Ω ±0.5 74.2Ω 不符合

2 75Ω ±1 74.2Ω 符合

3 240Ω ±2 237Ω 不符合

4 240Ω ±

5 237Ω 符合 5 5.1k Ω ±30 5.01 k Ω 不符合 6

5.1k Ω

±40

5.01 k Ω

符合

当切换到辅助装置测试功能时，电机驱动电位器自动复位（0Ω），然后开始测量。电位器阻值随旋转角度变化曲线测试结果如图11所示，随旋转角度的变化，依次采集并显示电位器的阻值，全程共采集16个点，其测量准确度基本满足要求。

旋转角度/ω

电位器阻值/

图 6 电位器阻值变化曲线结果

五、 结论和系统特色

① 本系统的测量量程为 100Ω、1k Ω、10k Ω、10M Ω四档，其准确度分别为±0.5%、±0.53%、±0.54%、±0.63% 。

② LCD 显示屏最大能显示999，并实现了自动显示小数点和单位的功能,测量速率满足大于5次/秒。

③ 实现了100Ω、1k Ω、10k Ω三档自动量程转换功能。

④ 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。

⑤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，曲线各点的测量准确度小于±5%，全程测量时间8.5秒，测量点16点。

⑥测量并显示电位器阻值随旋转角度变化曲线时，能自动存储并显示电阻值。

实验总结

本设计采用单片机控制的方式实现了简易自动电阻测试功能，完成了电阻测量的智能化设计。系统性能优良、稳定、功耗低、测量精度高，测试简单、调试和维护方便，具有较强的实用性和广阔的应用前景。

通过本次对简易自动测试仪的设计，我和搭档分工合作，积极配合，在四天三夜的努力下完成了本次设计的制作。在本次设计中，我们首先确定了设计方案，然后根据所设计的方案进行模块化的设计。通过本次设计，让我们明白了团队合作的重要性，让我们再一次体会到付出才会有回报。在本次设计中我们也有很多胡不足，比如在进行模块化的分工制作中，应特别注意端口之间的衔接，但是，我们坚信这些瑕疵和不足会激励我们在以后的设计中不断追求完美、精益求精。