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简易自动电阻测试仪设计报告

摘要：

本系统对于不同的量程分别采用恒流源测阻电路、分压法测阻电路和惠更斯桥I/V变换测阻电路进行电阻测量，充分的发挥出不同电路不同量程的工作特点，并且在软件上进行了校准。本自动电阻测试仪恒流源以及稳压电路由CA3140、TL431等元器件实现，由ATmega128高速单片机为主控制器，通过其内部自带10位AD转换器的A/D转换，对被测电阻两端电压信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过LCD液晶显示屏显示电阻的大小。该自动测试仪能够较精确的测量1Ω—10MΩ范围内的电阻，其测量误差为±1%，是一个简单易用的电阻测试仪方案。该系统有，能够自动换档，筛选电阻，并且绘制电阻变化曲线。实现了测量准确度为±（1%读数＋2 字）的三位有效数字显示的简易自动电阻测试仪。通过偏置电源的改进提高了精度，又通过软件算法的改进再次提高了精度，对22个范围在0~10M电阻的反复测试，证明了该系统测量精度的明显改善（见表3）。

关键词：ATmega128 稳压源 恒流源 继电器 电阻分压原理

1、系统方案：

1、1方案描述

被测电阻电源模拟放大电路数据采集系统4.7半周克条电阻步进马达

图1 系统硬件图

简易自动电阻测试仪由5大部分构成：（如图1）

1、电源向检测电路提供+-12V,+5V模拟电源和+5V数字电源，模拟地与数字地被光耦隔离。

2、模拟放大电路有三部分构成，第一部分是100Ω档的恒流源测阻电路，第二部分是1KΩ，10KΩ分压法测阻电路，第三部分是1MΩ.档的惠更斯桥I/V变换测阻电路。

3、步进马达采用信农200步，每步1.8度。驱动器采用A3977八细分驱动电路。

4、数据采集系统采用ATMEGA128L单片机。

5、LCD24064 1、2比较与选择

对于电阻的测试方法，一般可以从以下几个方面入手：

1、四线测电阻法：为减少接触电阻对测量结果的影响,用一对线通电流(接触电阻对电流的测量无影响),用另一对线测电位(通过的电流很少,接触电阻对电位的影响可忽略)。此方法适用于10欧姆以下的小电阻两个电压端两个电流端。

2、恒流源测电阻法（伏安法）（如图2）

图2恒流源测电阻电路

照电路分析，运放6脚输出应该是-5V，如果是+5V的话，三极管就不会导通，电阻RX上也就没有电流了，运放6脚输出-6V，那么三极管的E电压就是-4.3（理想状态下三极管的BE之间的压降问0.7）那么电阻R两端的电压为5V+4.3V=9.3V,由欧姆定律可以算出电阻R流过的电流为Ie=9.3V/R，所有流过电阻RX的电流是恒定的，既恒流源，由于三极管Ie约等于Ic，有万用表测出U0，根据欧姆定律得：R=U0/Ie 制作一个稳定精准的恒流源，使恒定电流I注入到RX上。得到Vrx。利用欧姆定律可以算出RX=Vrx/I。这种测量方法能最大限度的发挥ADC的精度，所以相应的测量量程比较宽。此外Vrx与RX成线性关系，计算电阻RX方便可行。

适用于测试10欧姆以下的小电阻。方案选择：由于小电阻测量恒压源比较难以稳定，我们选择小电阻测量用恒流源，大电阻测量用恒压源测量。

3、分压法（如图3）

是一种最基本的测阻方法，成本低，测试范围宽泛，但是由于参考电阻精度不高，温度漂移，偏置电源精度等影响，不会有较高的精度。

电源参考电阻跟随器被测电阻数据采集系统

图3 分压法电路图

4、惠更斯桥电路测试法（如图4）电源差动放大参考电阻被测电阻

图4 惠更斯桥电路法电路图

惠更斯桥电路广泛应用在各种电阻测试场合，适用于电阻类型传感器、I/V变换等场合。电阻桥输出电压与RX任然为非线性关系，且只在RX与R比较接近的时候才能得到精确的RX。这样测量的量程就非常有限。在10倍量程跨度难以保证1%精度。

题目涉及到四个量程，100Ω，1KΩ，10KΩ，1MΩ，基于以下几个方面考虑测试电路的选择：

1、对于100Ω小量程的测试方案可以选择四线测电阻法和恒流源测电阻法，测试10欧姆以下的电阻时候为了测试精度我们需要采用四线方式,但是在10欧姆以上的电阻我们一般不采用四线方式.一般测试表笔电阻为０．０５欧左右，采用四线方式可以有效的抑制线阻．四线并不麻烦．四线采用四线表笔测试就可以了！如果采用多点扫描方式四线的扫描速度要比二线明显慢很多！所以，在100Ω量程档位采取恒流源测电阻法。

2、对于1KΩ，10KΩ量程的测试方案选择分压测电阻法是最优的。

3、对于1MΩ.量程的测试方案选择惠更斯桥I/V变换测阻电路。可以减少由于大电阻的积分效应，增加测试速度，达到10次每秒。

2、电路与程序设计：

2、1电源电路（如图5）

图5 电源电路图

由典型可调电源芯片LM317和LM337构成，可产生+-12V电压。

2、2跟随器电路

图6 跟随器电路2、3控制电路

图7 ATMEGA128L 管脚图

考虑到该系统控制口线比较多，我们选择美国Atmel公司的高性能、低功耗的 AVR 8位微处理器，型号为Atmega128L。其具有宽范围工作电压2.7~5.5V，因此具有较高的抗干扰能力。具有53个I/O接口，基本满足了系统对口线的要求。具有128KByte Flash Rom,可以为240*64点阵的LCD提供丰富的字库与图形界面支持。以Atmega128L为主控芯片及外围的5大功能模块组成（图1）。

2、5掉电记忆模块

图8 掉电记忆模块

掉电记忆模块如图8所示，图中的VCC为单片机提供了电源，2支3300uF电容和1支IN4007的二极管构成了储能电路，而+5V专门为LCD的背光供电。如果出现了意外的掉电，首先+5V由于LCD背光的消耗电压会快速下降，通过10K电阻将CPU的外部中断管脚迅速拉低。单片机立刻进入中断程序，在中断程序中将现场的各种数据都存入512Byte的EEPROM中,同时储能电路将为单片机保存数据提供虽然短暂但却足够使用的能量，两只3300uF电容大约能够支持100ms的时间。实践证明该电路工作可靠，不但可以实现掉电记忆的功能，而且可以提高单片机的抗干扰能力，对于尖峰和毛刺电压具有平坦滤波的作用。

2、6分压法测试电路

把一个已知的电阻和被测电阻串联起来，加上一定的电压，在串联节点上能够测得一个分压。此分压V=E*RX/(RX+R)。如图9：

图9 1k和10k档分压法测试电路

此电路误差主要取决于恒压源和参考电阻的精度及稳定度，公式为V=E*RX/(RX+R)，被测电压随被测电阻变化的特性曲线为非线性变化。通过单片机控制三极管基极电压，驱动继电器的吸合和断开从而切换各电阻量程。

用测得的分压和已知的条件就可以算出被测电阻的值。其曲线为：

图9a

如果电压测量范围为线性，那么由于电压测量的误差导致电阻测量的误差是非线性的。其误差曲线为：

图9b

可以产出这种测量方法的误差取决于电压测量的误差，以及参考电阻R和电源电压E。而这样要满足题目要求的精度，参考电阻R的取值必须为高精度低 温票电阻，电压源必须为高精度恒压源。

2、7步进马达驱动电路

图10 步进马达测试驱动电路（试验用，后来被a3977替代）步进马达测试驱动电路,使用uln2003,该电路是试验用，因为需要控制节拍比较麻烦，后来被a3977驱动器所取代。

图11 a3977驱动芯片内部结构

表1 混合式步进电机SST59D5250参数

本系统的X轴驱动选用型号为SST59D5250（参数见表1）混合式步进电机，X轴混合式步进电机控制电路。其主控芯片A3977是美国Allegro公司于2001年推出的一款集成译码器和驱动器的细分步进电机驱动芯片，此款芯片具有较高性价比，大约每片30元人民币左右。A3977最少只需两个端口（步进脉冲、方向）即可，是专门用于双极型步进电机的微步进电机驱动集成电路，工作电压35V,根据实验我们发现供电电压为30V时工作有更低的温升，并且没有发现明显的扭力损失，而且考虑到30V更低于安全电压门限36V，我们决定选用30V供电电压。每一相H桥标称电流±2.5A,最大输出功率可接近90W。它主要的设计功能包括:自动混合模式电流衰减控制，PWM电流控制，同步整流，低输出阻抗的DMOS电源输出，可以使步进电机工作在整步、半步、1/4步和1/8步方式。A3977的控制方式是恒流控制，芯片内部的脉宽调制恒流斩波电路控制电机绕组电流，外部的阻容回路设置斩波周期中的关段时间。Rs1和Rs2，两个用于PWM恒流控制的电流采样电阻，此电阻应选用无感电阻。阻值的计算参照以下公式：Rs = 0.5 / Itripmax,一般选择0.22欧姆/2瓦，精度不低于千分之一。在我们的额定工作条件下，该步进电机不失步，并且有一定的驱动能力最大转速在350rpm。考虑到一些因素，保守的最大工作转速为300rpm。我们的丝杆螺纹间距是3mm，可以推算出横向限位滑块每分钟可靠的最大运行速度是900mm/min，即每秒15mm。

2、8小电阻测量选择方案三——恒流源注入式（伏安法）

图12恒流源注入式（伏安法）电路图

原理如图所示TL431的阴极和阳极之间产生精准的2.5V电压。这样运放CA3140 的电压为12V-2.5V=9.5V，通过电阻R5的电流为I=2.5V/100=25mA,这样通过被测电阻RX的电流也为25mA，被测电阻的电压为U=25mA*RX,被测电压通过一级跟随器输出到单片机自带10位AD进行模数转换，此电路存在的理论误差为参考源2.5V的精度，参考电阻的精度及温度稳定度，由于被测电压随被测电阻变化的特性为线性变化，所以两者的精度可以利用软件进行调整。大电阻测量选择方案一——电阻分压测量法2、9电位器阻值变化曲线装置

步进电机带动电位器旋转，从而测试曲线，并显示在液晶上。

图13电位器阻值变化曲线装置

3、系统软件设计：

由跳选开关，从开机选择第一题（见图14）、第二题（见图15）、第三题（见图16）、第四题（见图17）。

第一题开始选档100档1档10档10档采集,采集,采集,采集,累加滤波累加滤波累加滤波累加滤波显示显示显示显示图14 第一题流程图

第二题开始采集,累加滤波自动选档算法,施密特域上行限满偏,下行限为满偏10%100档1档10档10档采集,采集,采集,采集,累加滤波累加滤波累加滤波累加滤波显示显示显示显示图15 第二题流程图

第三题开始输入目标值和误差值采集,累加滤波自动选档算法,施密特域上行限满偏,下行限为满偏10%100档1档10档10档采集,采集,采集,采集,累加滤波累加滤波累加滤波累加滤波显示显示显示显示标准值-误差

第四题开始步进电机前进一步采集,累加滤波自动选档算法,施密特域上行限满偏,下行限为满偏10%100档1档10档10档采集,采集,采集,采集,累加滤波累加滤波累加滤波累加滤波显示显示显示显示绘制两点未达到达到计数达到200步结束图17 第四题流程图

测试方案与测试结果：

表3 两次改进后的测试结果误差比较

该简易自动电阻测试仪系统实现了测量准确度为±（1%读数＋2 字）的三位有效数字显示。通过偏置电源的改进第一次提高了精度，又通过软件算法的改进再次提高了精度，对22个范围在0~10M电阻的反复测试，证明了该系统测量精度的明显改善（见表3）。