1、基于单片机的数字电阻表设计The Design of Digital Resistance Meter based on Singal Chip Microcomputer专 业 电气工程及其自动化 摘 要本设计是以单片机为控制核心，设计了一种便携式数字电阻表。整个系统硬件部分由电源部分、单片机部分、电阻测量部分、显示部分四部分组成。系统采用了 12V 直流电源供电。单片机采用的是 STC12C5A60S2。电阻测量部分采用了两个运算放大器和 5 个标准电阻通过伏安法来采集电压信号。显示部分采用了四位一体共阳极数码管来显示结果。软件部分包括数据处理、自动换挡、数码管显示几个模块。整个设计的难点
2、在于档位的切换和误差的减小，系统采用了 5个由三极管驱动的继电器，由软件控制来实现档位的自动切换，并通过定义均值函数来减小误差。经过调试，系统实现了所要求功能，误差也在要求范围之内。关键词：单片机 伏安法 数码管显示AbstractThe design is based on single-chip microcomputer as the control core, a portable digital ohmmeter design.The system hardware part is composed of a power part, MCU part, resistance meas
3、urement part, display part . It is composed of four parts. System uses the 12V DC power supply. The microcontroller is STC12C5A60S2. It use two operational amplifiers and 5 standard resistor to collect the voltage signal by the means of voltammetry to do the resistane measure. The display part adopt
4、s one of four common anode led to display the results. The software part includes data processing, automatic shift, digital tube display module. The difficulties of design is to reduce the and error and switching gear, the system adopts 5 relay is driven by a triode, controlled by software to realiz
5、e the automatic switch gear, and define the function to reduce the error of the mean. After debugging, the system realize the required function, the error is within the required range.Key words：MCU Voltammetry Digital tube display目 录第 1 章 绪论 11.1 课题研究的目的意义 11.2 国内外研究现状 11.3 论文研究内容 2第 2 章 数字电阻表的设计要求及
6、方案 32.1 设计要求 32.2 设计方案 3第 3 章 系统主要元器件介绍 53.1 STC12C5A60S2 单片机资料 53.2 MAX232 芯片 83.3 OP07 芯片 93.4 ICL7660 芯片 103.5 数码管资料 11第 4 章 硬件电路设计 134.1 电源电路 134.2 单片机最小系统 144.3 电阻测量电路 154.4 自动换挡电路 164.5 数码管显示电路 164.6 硬件制作及调试 18第 5 章 软件设计及调试 195.1 软件设计 195.1.1 主程序模块 195.1.2 换挡程序模块 205.1.3 数码管显示模块 215.2 系统调试 22第
7、 6 章 结论 24参考文献 25致谢 26附录 27附录 A 外文资料 27附录 B 电路原理图 40附录 C PCB 图 41附录 D 源程序 42毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 课题研究的目的意义目前电子行业具有很高的发展速度，测试测量仪器更是走在行业的尖端，便携式高精度仪器更是发挥了巨大的作用，并且显示了无比的潜力。它可以取代测量技术在传统领域内的各类仪器，它在组成和改变仪器的功能和技术性能上具有很大灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学技术不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。随着社会的发展，科学的进步，电子产业也会发展到一个新的阶段，电子技术的提高代表
8、了一个国家的整体实力，高精尖的电子产品更新换代的周期越来越短，每一款电子产品的设计生产都需要更精密的电子测量仪器与之相配合，这样更先进的测量仪器将成为电子产品开发的必备条件，那么精密的测量仪起将是电子行业发展中的重中之重。数字电阻表作为电子测试领域不可缺少的产品之一，应用范围最为广泛。数字电阻表是利用模/数转换原理，将被测量数据转化为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种测量仪表。传统的指针式万用表功能单一精度低，不能满足数字化时代的需求。与指针式万用表相比，新一代数字电阻表具有精度高、输入快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、可扩展性强、集成方便、抗干扰能力强、测量自动化程度高等优点，因
9、而被广泛应用，得到工程师的青睐。但就电阻测量而言，便携式仪表还没有专门的单一功能的数字电阻表。本次设计就是以单片机为基础设计一个数字电阻表。同数字万用表原理相同，也是用数/模转换的原理将测量数据转化为数字量并通过数码管将测量结果显示出来的一种测量仪器。1.2 国内外研究现状目前市面上常见的电阻表按外形主要分为台式和手持式两种，其中手持式主要有万用表和钳式电阻表。台式数字电阻表虽然不易携带，但其单一的功能也客观上使得其精度和测量范围方面较普通的指针式电阻表或数字万用表有了很大的开发空间。台式万用表主要有数字欧姆表、接地电阻表、阻抗分析仪等几种。下面是国内外关于这些测量仪表的国内外研究现状。毕业设
10、计2手持式万用表不仅可以用来测量被测量物体的电阻、交直流电压还可以测量直流电压。甚至有的万用表还可以测量晶体管的主要参数以及电容器的电容量等。充分熟练掌握万用表的使用方法是电子技术的最基本技能之一。常见的万用表有指针式万用表和数字式万用表。指针式多用表是一表头为核心部件的多功能测量仪表，测量值由表头指针指示读取。数字式万用表的测量值由液晶显示屏直接以数字的形式显示，读取方便，有些还带有语音提示功能。万用表是公用一个表头，集电压表、电流表和欧姆表于一体的仪表。双钳式接地电阻测试仪适用于电信、电力、气象、机房、电力配电线路、铁塔输电线路、加油站、工厂接地网、避雷针等。该仪器除了具有传统打辅助地极测
11、接地电阻的功能外，还具备了无辅助地极测量的独特功能，改变了测试接地电阻传统的测量原理和手段：武汉恒盛兴电力自动化研制生产的数字双钳接地电阻测试仪采用双钳口非接触测量技术无需打辅助地极，也无需将接地体与负载隔离，实现了在线测量。台式电阻表主要有数字欧姆表、接地电阻表、阻抗分析仪等。数字欧姆表原理同万用表电阻档相同，但专业化程度更高，测量更精确。在测量范围上又有两个方向，微阻表和高阻计。在测量不同特点的电阻时选用合适的欧姆表更能实现相对精确的测量。接地电阻表是用来测试电力、邮电、铁路、通信、矿山等部门测量各种装置的接地电阻以及测量低电阻的导体电阻值、土壤电阻率及地电压。电阻分析仪主要用于科学实验、
12、精密测量等。另外还有一些用于特殊测量的电阻表，例如绝缘电阻表。绝缘电阻表又称兆欧表、摇表、梅格表，是用来测量最大电阻值、绝缘电阻、吸收比以及极化指数的专用仪表。1.3 论文研究内容论文要求设计一个数字电阻表，给出设计方案，设计硬件电路，编写软件并做出实物。其中硬件电路包括电源模块、检测电路模块、单片机最小系统。软件部分包括主程序模块、换挡程序模块、数码管显示模块。毕业设计3第 2 章 数字电阻表的设计要求及方案2.1 设计要求(1)本题目要求设计一个基于单片机的数字电阻表。(2)测量范围：10-1m。(3)精度要求：误差不大于 5%。(4)显示要求：保留 1 位小数点。(5)供电：9V 万用表
13、干电池或用 DC9-12V 电源代替。(6)要求设计出该系统的硬件电路和软件部分，做出实物。2.2 设计方案设计方案主要包括硬件和软件两部分。其中硬件部分主要由电源部分、单片机部分、电阻测量部分、显示部分四部分组成。另外由 MAX232 串口给单片机下载程序。系统框图如图 2-1 所示。单片机 按键显示电源模块DC12V电阻检测图 2-1 系统框图硬件部分采用 STC12C5A60S2 单片机作为的主控芯片，完成对电阻的检测和阻值显示。电阻测量方案根据测量电路的不同可以有很多种方案，常用的有以下两种：方案一：利用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻
14、的大小。该方案硬件电路实现简单，但是通过这种方法难以实现精准测量。方案二: 采用比例分压(伏安法)该方案原理简单，根据所要测量的阻值范围，可以对电阻分档测试提高测量的范围，同时再通过提高 A/D 的分辨率，使得测量精毕业设计4度更高。此种方法简单，易于实现，满足题目的要求。方案比较：经过比较分析，由于方案二方法简单易行，且满足题目的要求。因此选择了方案二。软件部分 首先进行单片机中主程序的设计，再设计自动换挡程序，数据处理程序，数码管输出程序。采用 C 语言,在 Keil Vision 4 软件环境下进行程序的编写和调试。最后完成该系统可以测量 10-1m 范围内的电阻，数码管显示保留一位小数
15、点，误差不大于 5%。毕业设计5第 3 章 系统主要元器件介绍3.1 STC12C5A60S2 单片机资料STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM，8 路高速 10位 A/D 转换(250K/S) ，针对电机控制，强干扰场合。(1)增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051。(2)工作电压：5V。(3)工作频率范围：0 - 35MHz，相当
16、于普通 8051 的 0420MHz 。(4)用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节。(5)片上集成 1280 字节 RAM。(6)通用 I/O 口(36/40/44 个 )，复位后为：准双向口/ 弱上拉(普通 8051 传统 I/O 口)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 55mA。(7)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1) 直接下
17、载用户程序，数秒即可完成一片。(8)有 EEPROM 功能(STC12C5A62S2/AD/PWM 无内部 EEPROM)。(9)看门狗。(10)内部集成 MAX810 专用复位电路(外部晶体 12M 以下时，复位脚可直接 1K电阻到地) 。(11)外部掉电检测电路 :在 P4.6 口有一个低压门槛比较器，5V 单片机为 1.32V，误差为+/-5%,3.3V 单片机为 1.30V，误差为+/-3% 。(12)时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟，常温下内部 R/
18、C 振荡器频率为： 5.0V 单片机为：11MHz 15.5MHz，3.3V 单片机为：8MHz 12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。(13)共 4 个 16 位定时器,两个与传统 8051 兼容的定时器/ 计数器,16 位定时器 T0和 T1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器 ,再加上毕业设计62 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器。(14) 2 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 输出时钟，可由 T1 的溢出在P3.5/T1 输出时钟。(15)外部中断 I/O 口 7 路，传统的下
19、降沿中断或低电平触发中断, 并新增支持上升沿中短模块， Power Down 模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到 P4.2 )，CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到 P4.3)(16)PWM(2 路 )/PCA(可编程计数器阵列，2 路)。也可用来当 2 路 D/A 使用。也可用来再实现 2 个定时器。也可用来再实现 2 个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。(17)A/D 转换 , 10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250K/S(每秒钟 25 万次)。(18)通用全双工异步串行口(UART) ，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定时器或 PCA 软件实现多串口。(19)STC12C5A60S2 系列有双串口，后缀有 S2 标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到 P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到 P4.3)。图 3-1 为单片机引脚图，各引脚功能简单介绍如下：图 3-1 STC12C5A60S2 管脚图VCC：供电电压。
