微小电阻测量仪1

20142014年广西区大学生电子设计竞赛年广西区大学生电子设计竞赛第一阶段第一阶段微小电阻测量仪微小电阻测量仪黄新黄新2014.05.182014.05.181 1、题目要求、题目要求1.11.1设计任务设计任务 采采用用四四线线法法设设计计并并制制作作一一个个微微小小电电阻阻测测量量仪仪，实实现现高高精精度度的的微微小小电电阻阻测测量量，其其原原理理示意图如下所示示意图如下所示。21.21.2要求要求1.2.11.2.1基本要求基本要求（1 1）电阻测量范围）电阻测量范围100m100m100100；（2 2）电阻测量精度）电阻测量精度1 1；（3 3）设设计计恒恒流流源源的的电电流流源源输输出出范范围围100A100A100mA100mA，电流步进，电流步进100A100A；（4 4）利用液晶显示测量结果）利用液晶显示测量结果。31.2.21.2.2发挥部分发挥部分（1 1）电电流流源源输输出出范范围围为为50A50A200mA200mA，电电流步进流步进50A50A；（2 2）电阻测量范围）电阻测量范围10m10m10001000；（3 3）电阻测量精度）电阻测量精度0.50.5；（4 4）其它）其它41.2.31.2.3说明说明（1 1）恒流源恒流源预留测试端子；预留测试端子；（2 2）建议建议采用采用4 4线测试夹具。线测试夹具。52 2、系统组成及原理、系统组成及原理6（1 1）系统组成框图）系统组成框图（2 2）测量原理）测量原理第第一对线一对线提供提供恒定电流恒定电流（R R1111和和R R1212不影响不影响恒流源恒流源输出电流输出电流）；第第二二对对测测试试线线加加到到电电压压测测量量端端S S1 1，S S2 2的的电电压压，DVMDVM是是高高阻阻抗抗输输入入，故故测测试线电阻试线电阻R R1313和和R R1414不会影响电压的测量不会影响电压的测量72 2.1 1程控恒流源程控恒流源基本部分：基本部分：100A100A100mA100mA，步进，步进100A100A发挥部分：发挥部分：50A50A200mA200mA，步进，步进50A50A程程控控恒恒流流源源由由程程控控直直流流电电压压源源、V-IV-I变变换换电电路和功率放大器组成。路和功率放大器组成。程控直流程控直流电压电压源源V-IV-I变换变换功率放大功率放大2.1.12.1.1程控直流电压程控直流电压源源基本部分：基本部分：100mA/100A=1000100mA/100A=1000，需要，需要1010位位发挥部分：发挥部分：200mA/50A200mA/50A40004000，需要，需要1212位位方案方案1 1：D/AD/A转换器转换器选择位数；选择位数；选择基准电压源选择基准电压源对转换对转换速度没有要求速度没有要求参考型号：参考型号：LTC2640:10LTC2640:10位位,内部内部2.5V,4.096V2.5V,4.096V基准基准,SPI,SPIMAX531MAX531：1212位，内部位，内部2.048V2.048V基准，基准，SPISPI接口接口方案方案2 2：数字电位器：数字电位器利用数字电位器对基准源进行串联分压。利用数字电位器对基准源进行串联分压。美信美信 MAX5484 1024MAX5484 1024抽头，抽头，SPISPI接口接口TI TPL0501-100 256TI TPL0501-100 256抽头，抽头，SPISPI接口接口UrefU02.1.2V-I2.1.2V-I电路电路 当当 取取 通通过过切切换换电电阻阻的的大大小小，实实现现不不同同档档位位的的电电流流输输出出。以以满满足足较较小小的的输输入入电电压压范范围围控控制制较大的电流输出范围较大的电流输出范围 2.1.32.1.3功率放大器功率放大器基本部分：基本部分：100A100A100mA100mA被测电阻：被测电阻：100m100m100100发挥发挥部分：部分：50A50A200mA200mA被被测电阻测电阻：10m10m10001000因因此此V-IV-I变变换换后后需需要要功功率率放放大大，可可以以采采用用功功率放大器，电流放大器等实现。率放大器，电流放大器等实现。凌凌力力尔尔特特公公司司电电流流反反馈馈放放大大器器LT1210LT1210，15V15V电源电源供电供电，可输出，可输出1.1A1.1A。2.22.2提高电压测量输入阻抗提高电压测量输入阻抗1 1、电压跟随器、电压跟随器2 2、采用场效应管提高、采用场效应管提高输入阻抗输入阻抗2.32.3信号放大电路信号放大电路被测电阻两端电压被测电阻两端电压V=I*RxV=I*Rx10m10m-100m-100m：200mA200mA，电压，电压0.002V0.002V0.02V0.02V100m100m-1-1：100mA100mA，电压，电压0.01V0.01V0.1V0.1V1010-100-100：1mA1mA，电压，电压0.01V0.01V0.1V0.1V100100-1000-1000：100100 A A，电压，电压0.01V0.01V0.1V0.1V被被测测电电阻阻两两端端电电压压较较小小，需需要要设设计计1010倍倍和和100100倍放大器。倍放大器。2 2.4 4 ADAD转换电路转换电路2.4.1ADC2.4.1ADC选择选择（1 1）电压采集）电压采集范围范围经过放大后的电压范围为：经过放大后的电压范围为：0.1V0.1V1V1V（2 2）ADCADC的位数的位数电电阻阻相相对对测测量量精精度度低低于于1 1，即即最最小小分分辨辨电电压压0.1V*1%=0.001V,0.1V*1%=0.001V,建议采用建议采用1212位位ADCADC另外：另外：ADCADC输入端应增加保护电路。输入端应增加保护电路。（3 3）ADCADC参考电压源参考电压源 题题目目未未要要求求正正向向电电压压、反反向向电电压压和和正正向向伏安特性的测量精度。伏安特性的测量精度。1 1）选）选VCCVCC作为参考电压源，基本满足要求作为参考电压源，基本满足要求2 2）选基准电压源可有效提高电压测量精度。）选基准电压源可有效提高电压测量精度。MAX6021MAX6021 2.048V 2.048V 7mV7mVADR392ADR392 4.096V 4.096V（4 4）ADCADC转换速度转换速度 被被测测电电阻阻两两端端电电压压的的测测量量均均采采用用直直流流静静态态测测试试方方法法，因因此此对对ADCADC的的转转换换速速度度要要求求较较低。一般低。一般ADCADC的转换速度均满足要求。的转换速度均满足要求。（5 5）ADC ADC型号型号ADC0809ADC0809：8 8位位AD574AD574：1212位位ADSADS79507950：1212位位ADS802ADS802：1212位位MAX197MAX197：1212位位2 2.5 5 显示电路显示电路 只只要要求求显显示示被被测测电电阻阻大大小小。普普通通字字符符型型液晶即可，液晶即可，16021602，1223212232 2.62.6键盘键盘模块模块（1 1）功能）功能 电流设置，电阻测量电流设置，电阻测量（2 2）电流源设置）电流源设置 0 09 9数字，单位数字，单位AA，mAmA，-键。键。（3 3）按键设置）按键设置 44 44矩阵键盘矩阵键盘 单位单位按键同时按键同时具有确认具有确认功能。功能。2 2.7 7 微处理器微处理器（1 1）指令周期）指令周期AT89S51AT89S51：12122424时钟周期时钟周期 33MHz33MHzC8051FC8051F：1 12 2时钟周期时钟周期 25MHz25MHzATMEGA32LATMEGA32L：1 12 2时钟周期时钟周期 16MHz16MHzSTM32F103ZESTM32F103ZE：1 12 2时钟周期时钟周期72MHz72MHzMSP430F5438MSP430F5438：1 12 2时钟周期时钟周期 18MHz18MHz（2 2）RAMRAM空间空间AT89S51AT89S51：128B RAM 4KB FLASH128B RAM 4KB FLASHC8051F010C8051F010：4KB+256B RAM 64KB FLASH4KB+256B RAM 64KB FLASHATMEGA32LATMEGA32L：2KB 2KB RAM RAM 32KB 32KB FLASHFLASH STM32F103ZESTM32F103ZE:64KB 64KB RAM RAM 512KB FLASH512KB FLASH MSP430F5438:16KB RAM 256KB+512B FLASHMSP430F5438:16KB RAM 256KB+512B FLASH（2 2）ADC,DACADC,DAC及接口及接口AT89S51AT89S51：无：无ADCADC，DACDAC，I I2 2C C和和SPISPIC8051F010C8051F010：1212位位ADCADC，1212位位DACDAC，SPISPI，I I2 2C CATMEGA32LATMEGA32L：1010位位ADCADC，SPISPI，STM32F103ZE:STM32F103ZE:1212位位ADCADC，1212位位DACDAC，SPISPI，I I2 2C C，USBUSB，DMADMA，2424位计数器位计数器 MSP430F5438:MSP430F5438:12 12位位ADCADC，SPISPI，I I2 2C C3 3 软件设计软件设计3.1 3.1 显示模块显示模块（1 1）底层驱动）底层驱动 液液晶晶忙忙检检测测，写写数数据据，写写命命令令，设设置置显显示位置等。示位置等。（2 2）初始化程序函数）初始化程序函数 完成液晶的初始化设置完成液晶的初始化设置（3 3）指定位置指定位置显示字符串显示字符串（4 4）指定位置指定位置显示汉字显示汉字（5 5）指定位置指定位置显示显示十进制数十进制数函数函数（6 6）LCD12864LCD12864忙标志检测忙标志检测void void LCD12864_CheckBusy(voidLCD12864_CheckBusy(void)unsigned unsigned char char numnum;numnum=100=100;LcdDataLcdData =0 xff=0 xff;LCD12864_RS LCD12864_RS=0=0;LCD12864_RW LCD12864_RW=1=1;LCD12864_EN LCD12864_EN=1=1;Delay_40USDelay_40US();();/延时时间根据手册进行调整延时时间根据手册进行调整whilewhile(LcdData&0 x80(LcdData&0 x80)&numnum-);-);LCD12864_ENLCD12864_EN=0;=0;（7 7）LCD12864LCD12864写数据写数据void void LCD12864_WriteData(LCD12864_WriteData(ucharuchar Data)Data)LCD12864_CheckBusyLCD12864_CheckBusy();();LCD12864_RS=1;LCD12864_RS=1;LCD12864_RW=0LCD12864_RW=0;LCD12864_EN=0;LCD12864_EN=0;LcdDataLcdData=Data=Data;LCD12864_EN=1LCD12864_EN=1;Delay_40US();Delay_40US();/延时时间根据手册进行调整延时时间根据手册进行调整LCD12864_EN=0LCD12864_EN=0;（8 8）LCD12864LCD12864写命令写命令void void LCD12864_WriteCommand(LCD12864_WriteCommand(ucharuchar CmdCodeCmdCode)LCD12864_CheckBusyLCD12864_CheckBusy();();LCD12864_RS=0;LCD12864_RS=0;LCD12864_RW=0LCD12864_RW=0;LCD12864_EN=0;LCD12864_EN=0;LcdDataLcdData=CmdCodeCmdCode;LCD12864_EN=1LCD12864_EN=1;Delay_40US();Delay_40US();/延时时间根据手册进行调整延时时间根据手册进行调整LCD12864_EN=0LCD12864_EN=0;3.23.2按键处理按键处理1 1）键扫描）键扫描 行行列列扫扫描描法法和和线线路路反反转转法法；返返回回结结果果：0 x000 x00：无键按下：无键按下,其余按键返回按键键值其余按键返回按键键值2 2）键去抖）键去抖delay10ms();delay10ms();3 3）键处理）键处理 根根据据功功能能键键选选择择电电流流设设置置和和电电阻阻测测量量功功能能；利利用用数数字字键键和和单单位位键键设设置置恒恒流流源源输输出出电电流；其中，流；其中，-键可以考虑使用连击键可以考虑使用连击3 3.3 AD.3 ADC C驱动程序驱动程序（1 1）底层驱动）底层驱动 ADAD信信号号定定义义，利利用用单单片片机机IOIO口口实实现现ADAD接接口时序；口时序；ADAD采集函数返回二进制采集结果；采集函数返回二进制采集结果；ADC0809 ADC0809OE=0;OE=0;/输出禁止输出禁止AD_ADD=0 x00;AD_ADD=0 x00;/通道地址通道地址START=0;START=0;START=1;START=1;/启动脉冲启动脉冲START=0;START=0;While(!EOC);While(!EOC);/检测转换结束检测转换结束OE=1;OE=1;/输出使能输出使能AD_DataAD_Data=DataPortDataPort;/读取转换结果读取转换结果OE=0;OE=0;（2 2）应用函数）应用函数1 1）测量结果电压转换）测量结果电压转换2 2）多次测量）多次测量 进行多次测量取电压平均值。进行多次测量取电压平均值。3.43.4电阻测量及量程切换程序电阻测量及量程切换程序每每个个量量程程标标准准电电流流固固定定，根根据据测测量量的的被被测测电电阻两端电压阻两端电压U U，即可计算被测电阻，即可计算被测电阻RxRx。设置欠量程设置欠量程DminDmin0 x100 x10，DmaxDmax0 x3F00 x3F0当前测量电压为当前测量电压为DxDx若若DxDx DmaxDmax,超量程，减小电流超量程，减小电流I IS S 4 4 系统调试系统调试（1 1）安装前测试）安装前测试 测测电电源源与与地地之之间间的的电电阻阻，判判断断是是否否短短路路；肉肉眼眼观观察察电电路路板板，线线与与线线之之间间是是否否短短路路，是是否有线腐蚀断了。否有线腐蚀断了。（2 2）安装器件）安装器件1 1）按功能模块安装器件；）按功能模块安装器件；2 2）每每个个模模块块按按器器件件高高度度由由低低到到高高，体体积积由由小到大的顺序安装器件。小到大的顺序安装器件。说明：说明：1 1）安安装装好好关关键键器器件件后后检检测测电电源源和和地地之之间间是是否短路；否短路；2 2）安安装装时时一一定定要要确确定定器器件件型型号号，参参数数，方方向；向；3 3）可以用芯片插座的尽量用插座。）可以用芯片插座的尽量用插座。（3 3）安装后测试）安装后测试1 1）不不接接芯芯片片，用用万万用用表表测测电电源源和和地地之之间间的的电阻；电阻；2 2）肉肉眼眼观观察察是是否否有有短短路路，虚虚焊焊，器器件件型型号号，方向是否有错；方向是否有错；3 3）用用万万用用表表通通断断档档检检测测关关键键信信号号线线是是否否连连通。通。（4 4）加电测试）加电测试1 1）首首先先用用万万用用表表确确定定电电源源电电压压是是否否符符合合要要求；求；2 2）加加电电瞬瞬间间观观察察电电路路是是否否有有异异常常，如如发发热热等，有异常迅速断电检查；等，有异常迅速断电检查；3 3）通通电电正正常常后后，再再次次确确认认电电路路板板电电源源电电压压是否正常。是否正常。（5 5）功能测试）功能测试1 1）单片机最小系统）单片机最小系统 万用表检测电源管脚。万用表检测电源管脚。示波器测时钟脚应有振荡波形。示波器测时钟脚应有振荡波形。万万用用表表测测复复位位RSTRST，按按键键按按下下为为高高，释释放为低。放为低。万用表测万用表测EAEA，应为高。，应为高。该部分正常单片机一般能工作。该部分正常单片机一般能工作。（2 2）显示模块）显示模块 仅仅调调用用显显示示函函数数，完完成成液液晶晶初初始始化化操操作作，并并在在指指定定位位置置显显示示字字符符，整整数数，小小数数等等，必必要要的的情情况况下下可可以以给给定定数数据据，直直接接绘绘制制相相应应的的曲线。曲线。如如显显示示不不正正常常，首首先先确确认认初初始始化化后后是是否否能能开开光光标标，正正常常则则表表示示液液晶晶硬硬件件连连接接，写写操操作作时时序序正正常常，初初始始化化正正常常；否否则则需需要要检检查查硬硬件，确认操作时序和初始化命令字。件，确认操作时序和初始化命令字。（3 3）A ADCDC测试测试 模模拟拟输输入入电电压压分分别别接接VCCVCC和和0,0,循循环环调调用用ADCADC控控制制程程序序，数数据据处处理理程程序序，显显示示程程序序，观察显示结果是否接近观察显示结果是否接近5.000V5.000V，0.000V0.000V。如如果果不不正正常常，直直接接给给数数据据处处理理程程序序提提供供0 xFF0 xFF和和0 x000 x00作作为为参参数数，观观察察显显示示结结果果是是否正常否正常,正常说明正常说明ADCADC控制程序的问题；控制程序的问题；如如果果不不正正常常,说说明明数数据据处处理理程程序序的的问题。问题。（4 4）恒流源测试）恒流源测试在在测测试试夹夹具具上上接接不不同同的的被被测测电电阻阻，串串接接电电流表，在负载电阻两端接电压表；流表，在负载电阻两端接电压表；分分别别设设置置输输出出电电流流为为100A100A，1mA1mA，10mA10mA，50A50A，200mA200mA，测测量量实实际际输输出出电电流流和和被被测测电阻两端电压电阻两端电压。如如果果输输出出电电流流不不正正常常，先先测测恒恒压压源源输输出出电电压压是是否否满满足足要要求求，如如果果满满足足要要求求，则则说说明明压压控恒流源有问题。控恒流源有问题。谢谢大家！谢谢大家！