單片機典型案例開(kāi)發(fā)（五）

一、基于單片機設計的小電阻測試儀

　　1、引言

　　在電路測試過(guò)程中常常會(huì )碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實(shí)驗數據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;由于其數值較小，一般的指針萬(wàn)用表無(wú)法測量出來(lái);通常實(shí)驗室里會(huì )用電橋進(jìn)行測量，但電橋操作手續較煩，又不能直接讀出被測電阻阻值。鑒于此，我們采用了單片機，利用單片機的優(yōu)勢設計了該測量?jì)x。該測量?jì)x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(shí)可以把測試的數據進(jìn)行儲存，然后經(jīng)串行口送入上位機，通過(guò)上位機的強大功能，可以對所測得的數據進(jìn)行分析、處理。該測試儀的測量精度高達±0.1%，并采用四端測量法，電阻值不受引線(xiàn)長(cháng)短及接觸電阻的影響。不僅測量簡(jiǎn)便，讀數直觀(guān)，且測量精度、分辨率也高于一般電橋?？捎糜趯?shí)驗室、研究所，尤其適用于工作現場(chǎng)。

　　2、測試原理

　　如上圖本機的基本原理是采用在被測電阻上通過(guò)已知的恒定電流，取出被測電阻上的壓降，經(jīng)放大器放大轉換為0～3V直流電壓，然后送入C8051F005A/D轉換的輸入端，經(jīng)單片機處理，最后經(jīng)過(guò)液晶顯示器直接顯示電阻阻值。

　　由于要實(shí)現對微小電阻的測量，所以要求放大器的分辨率高（高潮達10μV），線(xiàn)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，為此我們設計了如圖2中信號處理電路所示的差動(dòng)放大器。此放大器由運放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(guò)A3組成的差分式電路，可以互相抵消，故它有很強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R5= R7、R6= R8時(shí)，上述方程化簡(jiǎn)可得：

　　從（3）式知輸出電壓U4與被測電阻RX成正比。放大器的倍數由R3、R4、RW而定，由于A(yíng)/D轉換器的輸入電壓為0～3V，本儀器設置放大器的放大倍數為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定性，除上述電路本身優(yōu)點(diǎn)外，集成運放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(shí)被測電阻與測試儀器間采用四端接線(xiàn)法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測量時(shí)用四根專(zhuān)用導線(xiàn)與被測電阻Rx連接，當被測電阻較小時(shí)，為了避免導線(xiàn)電阻和接觸電阻的影響，四根連接導線(xiàn)要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導線(xiàn)電阻和接觸電阻的影響。

　　3、小電阻測試儀的硬件設計

　　該儀器的核心部分是能夠實(shí)現各種功能的電路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機C8051F005。該系統主要包括電源電路、信號采集電路、信號放大電路、液晶驅動(dòng)及顯示電路、串行通訊電路、系統復位電路和C8051F005單片機系統電路（包括模數轉換電路）。系統各部分的詳細電路如圖2所示。

　　3.1、C8051F005單片機系統電路

　　本系統使用的是C8051F005，它具有如下特點(diǎn)：

　　片內有多達60KB的Flash ROM和2KB RAM，用戶(hù)無(wú)需再外擴存儲器;

　　一個(gè)12位的A/D轉換器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(gè)模擬比較器，可實(shí)現電壓比較或基準電壓的輸出。

　　ADC12是12位精度的A/D轉換模塊，帶有采樣保持功能，具有高速、通用的特點(diǎn)。它有8個(gè)外部信號采樣通道和4個(gè)內部通道。由差動(dòng)放大器輸出的信號由通道0輸入單片機，A/D轉換的時(shí)鐘、轉換模式和參考電壓源都可以由用戶(hù)用軟件設置。

　　由于該單片機內部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設計變得簡(jiǎn)單，還可以大大縮小電路板的尺寸。另外，在電路板上預留一個(gè)JTAG接口，再配以一個(gè)普通的PC機，就可以很方便地實(shí)現系統軟件的調試。

　　圖2、系統詳細電路圖

　　3.2、串行通訊電路

　　C8051F005單片機內部集成了兩個(gè)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(guò)一個(gè)RS232接口芯片MAX3221E與PC機通訊。

　　MAX3221E是工作電壓為+3.0～+5.5V、僅需1μA的供給電流且具有自動(dòng)關(guān)閉功能的單路RS-232收發(fā)器。C8051F005單片機的一大特點(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(guò)EN、FORCEON、FORCEOFF引腳可以控制驅動(dòng)器、接收器的工作狀態(tài)，啟動(dòng)或禁止自動(dòng)降低功耗功能，從而使其工作在不同的能耗狀態(tài)，達到降低功耗的目的。

　　3.3、電源電路

　　本系統采用電池供電，這樣既可以保持系統運行的穩定可靠又可便于在實(shí)驗室以外的環(huán)境下使用。

　　3.3、LCD驅動(dòng)及顯示電路

　　LCD顯示選用型號為SMS0501C段碼顯示驅動(dòng)器。該液晶顯示器的接口方式為二線(xiàn)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(gè)主要的電路外，系統還有電源欠壓檢測電路和系統復位電路等。電源欠壓檢測電路采用的是C8051F005單片機內部集成的模擬比較器來(lái)實(shí)現。系統復位電路采用按鈕復位形式，利用電容的充放電對單片機進(jìn)行正確復位。當按鈕被按下時(shí)，C8051F005單片機的RST引腳即為低電平，只要這個(gè)低電平保持2個(gè)機器周期以上，單片機即可正確復位。

　　4、軟件設計

　　本系統的軟件設計采用模塊化設計的方法，整個(gè)程序包括主程序、數據采集程序、數據處理程序、串行通訊程序、定時(shí)器中斷程序、LCD顯示程序。所有的程序均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，可以很方便地調試和下載程序代碼。限于篇幅，本文只給出主程序的流程圖，如圖3所示。

　　系統的主程序主要完成C8051F005單片機系統的初始化、設置系統時(shí)鐘和中斷字，調用鍵盤(pán)處理程序，根據不同的按鍵轉入相應的服務(wù)程序，完成不同的功能，如數據的采集與處理、串行通信以及歷史記錄的查詢(xún)。其中串行通訊子程序不僅可以將單片機存儲的數據傳送到PC機進(jìn)行處理分析，用戶(hù)也可以根據情況從PC機上設置待測數據多少以及測試時(shí)間的長(cháng)短等。

　　5、結束語(yǔ)

　　測試準確，該儀器在對10μΩ～10Ω的微小電阻測試時(shí)讀數穩定性也較好，且測量精度高。

　　根據如上所述的電路原理，開(kāi)發(fā)出了樣機，經(jīng)實(shí)驗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場(chǎng)使用。

　　二、用89C2051單片機制作的電話(huà)回撥器

　　該電話(huà)回撥器采用單片機控制，具有電路簡(jiǎn)單、接觸可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　一、工作原理

　　電路見(jiàn)附圖所示，系統由摘機，掛機電路、單片機撥號控制電路、DTMF號碼產(chǎn)生及放大電路、電源電路等四部分組成，下面分別予以介紹

　　1.摘機/掛機電路

　　圖中，J1為電話(huà)線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)插座，J2為該裝置所并聯(lián)的電話(huà)機插座，Rl為保險電阻;DI—D4為極性保護電路，用于將線(xiàn)路上極性不確定的電壓轉換成極性固定的電壓，保證無(wú)論電話(huà)線(xiàn)的正負極如何連接，都能使進(jìn)入開(kāi)關(guān)管VI發(fā)射極的一端始終是正電壓;V1是電子開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)的通、斷受單片機P3.7口控制，當P3.7為高電平時(shí).V2、VI相繼導通，電話(huà)線(xiàn)路上的48V電壓通過(guò)VI加到R5兩端，電話(huà)線(xiàn)上有電流通過(guò)，此時(shí)處于摘機狀態(tài);當P3.7為低電平時(shí).V2、VI截止。電話(huà)線(xiàn)上沒(méi)有電流通過(guò)，此時(shí)處于掛機狀態(tài)。在摘機狀態(tài)，由電話(huà)機房送出的48V供電電壓大部分由電話(huà)線(xiàn)的線(xiàn)路電阻衰減.R5兩端產(chǎn)生的電壓降大約在5V~15V之問(wèn)。

　　2.單片機撥號控制電路

　　89C2051完成對撥號芯片的控制，R8、c5為復位元件，完成上電復位，JTI為6MHz晶振。

　　用Pl口的8根線(xiàn)完成對撥號芯片的控制。

　　3.DTMF號碼產(chǎn)生及放大電路

　　使用MK5087型DTMF撥號專(zhuān)用芯片。該芯片原本是行列式按鍵輸入芯片，即4條行線(xiàn)及4條列線(xiàn)組成16個(gè)按鍵，實(shí)踐證明，該芯片不但具有行列式鍵盤(pán)輸入，而且與51系列單片機具有良好的接口性能。下面對該芯片各引腳的功能予以介紹。

　　第（1）腳：電源正極，工作電壓范圍為3.5V—10V。（2）腳：狀態(tài)輸出端，當芯片發(fā)出DTMF信號時(shí)。該腳呈低電平，否則呈高電平。（3）、（4）、（5）、（9）腳：鍵盤(pán)列線(xiàn)輸入端，內接下拉電阻，高電平有效，當該腳與任一行線(xiàn)連接，或者一條行線(xiàn)與一條列線(xiàn)同時(shí)有效時(shí)，此時(shí)芯片發(fā)出DTMF信號。

　?。?）腳：電源負極。（7）、（8）腳：振蕩輸入、輸出端，接3.58MHz晶體。（10）腳：該腳與第（2）腳正好相反，當芯片發(fā)出DTMF信號時(shí)，該腳呈高電平，否則呈低電平。（11）、（12）、（13）、（14）腳：鍵盤(pán)行線(xiàn)輸入端，內接上拉電阻，低電平有效，當該腳與任一列線(xiàn)連接，或者一條行線(xiàn)與一條列線(xiàn)同時(shí)有效時(shí)，芯片發(fā)出DTMF信號。（15）腳：?jiǎn)我羰欠裼行Э刂贫?，內接上拉電阻，當該腳接地時(shí)，芯片只能發(fā)

　　出雙音頻，而不能發(fā)出單音頻：當該腳接高電平或懸空時(shí)，芯片既允許發(fā)出單音，又允許發(fā)出雙音，只有在行線(xiàn)和列線(xiàn)不同時(shí)有效的情況下，芯片才能發(fā)出單音頻信號。（16）腳：DTMF信號輸出端：（16）腳發(fā)出的DTMF信號經(jīng)V3放大后，從V3集電極送入到線(xiàn)路中。

　　該芯片行列鍵盤(pán)與DTMF號碼為對應關(guān)系，當某一按鍵按下時(shí)，相當于該按鍵的行線(xiàn)R為低電平、列線(xiàn)C為高電平;同樣，當某一行線(xiàn)R為低電平、列線(xiàn)C為高電平時(shí)，等效于該行線(xiàn)與該列線(xiàn)交叉的按鍵被按下。

　4.電源電路

　　電源電路中，220V交流電壓經(jīng)變壓器B變?yōu)?V.然后經(jīng)D5~D8整流，CI、C2濾波，再經(jīng)ICl（7805）穩壓.C3、C4濾波后輸出穩定的Sv電壓，供單片機及號碼產(chǎn)生電路使用。

　　采用外加交流電源供電的優(yōu)點(diǎn)是：當電話(huà)線(xiàn)路過(guò)長(cháng)（比如大干20km甚至更多）。如果電話(huà)線(xiàn)上的電壓因為線(xiàn)路過(guò)長(cháng)衰耗太大，以致于到了終端，電壓降不能維持終端設備工作甚至為零的情況下，該系統仍然能夠正常工作。

　　二、制作安裝

　　所有元件安裝在50mmx80mm的板上。板上有8個(gè)螺絲孔，兩個(gè)用于將變壓器固定在線(xiàn)路板上，一個(gè)用于固定7805，其余5個(gè)用于將線(xiàn)路板和機殼固定。電話(huà)進(jìn)線(xiàn)插座和出線(xiàn)插座安裝在機殼上，并通過(guò)連線(xiàn)與板上的JI和J2桿|連。指示燈LED在線(xiàn)路板上設計有安裝位置，也可根據外觀(guān)的設計需要將指示燈引出。J3為220V電雎輸入端.J4用于和機殼上的開(kāi)關(guān)K連接。為便于改寫(xiě)程序，單片機IC2不直接焊接在板上，而是通過(guò)IC插座插入，這樣改寫(xiě)程序時(shí)，可直接將單片機從板子上拿下來(lái)。需要指出的是，由于R5產(chǎn)生的功耗較大，一定要用功率為IW或2W的水泥電阻.Rl要用不大干51Ω的保險電阻。變壓器用2W的即可，其他元件沒(méi)有特殊要求。

　　三、程序流程（見(jiàn)下圖）

　　四、源程序清單

　　下面是以撥手機號碼18797130900為例的源程序代碼：