基于AD转换的简易电阻测试仪设计.doc
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1、 基于ADS1255转换的简易电阻测试仪基于ADS1255转换的简易电阻测试仪设计摘 要电阻是电子产品所必不可少的元件,电阻阻值的测量也是关键。本设计由24位ADC转换电路(ADS1255转换电路)、MSP430单片机小系统、电源电路、恒压源电路、继电器换挡电路、显示电路等几个部分组成。本设计采用MSP430F149单片机与ADC模块结合为核心,输出一个电压值,对被测电阻进行测试和计算;设置4个档位,用键盘进行换挡控制,采用四个不同的精密电阻分别串联一个继电器进行电阻测量的换挡;通过软件编程来实现档位的自动转换,同时进行数据储存;经过LCD显示屏显示出所测得的电阻阻值和档位。通过设计、仿真与调
2、试,实现了电阻的精确测量。本设计具有精度高、操作简便、硬件设计简单等优点。关键词:ADS1255;MSP430F149;电阻测量;继电器The resistance measuring instrument based on ADS1255AbstractResistance is the essential components of electronic products, the resistance value measurement is also key. This design by 24 bits ADC transform circuit (ADS1255 transform
3、 circuit), MSP430 microcontroller small system, power supply circuit, constant pressure source circuit, relay shift circuit, show circuit and several other parts. This design USES the MSP430F149 single-chip microcomputer and ADC module combination as the core, output a voltage value, to be measured
4、resistance test and computing; Set up four gear, use the keyboard to shift control, it USES four different precision resistor in series a relay are respectively the resistance measurement shift; Through the software programming to realize the automatic conversion of gear, and data storage; After LCD
5、 screen shows the resistance tolerance and gear. Through the design, the simulation and debugging, realized the precise measurement of the resistance. This design has high precision, easy operation, hardware design simple, etc.Keywords: ADS1255; MSP430F149; Resistance measurement; relayIV目 录1引 言12系统
6、方案22.1 A/D模块方案22.2 控制器模块方案22.3 主电源模块方案32.4 恒压源方案32.5 换挡模块方案32.6 显示模块方案43系统理论分析与计算53.1 电阻测量模块的分析53.1.1电阻测量量程选取53.1.2测量电阻值的计算53.2 自动量程转换的分析64电路设计74.1 系统总体框图74.2 A/D转换电路74.3 主控制电路94.4 恒压源电路104.5 换档电路104.6 键盘114.7 显示电路124.8 电源135软件的设计145.1 软件设计流程图145.2 信号采集155.3 量程转换155.3.1手动档检测电阻165.3.2自动档检测电阻176系统测试18
7、6.1 测试方案186.2 测试条件与仪器186.3 测试结果(数据)186.4 测量误差分析196.5 单片机输出显示误差分析19结束语20致 谢21参考文献22附 录附录1 电路原理图附录2 元件清单附录3 实物图附录4 程序 基于ADS1255转换的简易电阻测试仪基于ADS1255转换的简易电阻测试仪1引 言随着科技的发展,智能电子产品不断融入到人们的生活与工作中。电阻是电子行业中最基础的元件,每个电子产品都离不开电阻;在电路测试过程中常常会由于忽略某些小电阻引起实验数据与理论值之间存在较大误差;在工程实践中,常需要测定某些高导电材料的电阻率。电阻值的测量是电子行业必不可少的工作。但是现
8、有的电阻测量仪表的测量的精度不够,过于机械化,如模拟万用表等。利用MSP430F149、ADS1255与继电器设计一个能自动换档位的简易电阻测试仪,能精确的测试电阻值,并能直观显示出所测电阻值,可以有效解决以上的不足。整个设计的成败在于测量的精确度,而精确度主要是A/D转换的作用。A/D模数转换器在许多领域应用广泛,并且A/D模数转换是电子专业学习当中的重点和难点,为了此次电子产品的功能达到,本设计采用了24位AD转换器(ADS1255),ADS1255是TI公司推出的微功耗、高精度、24位-型模数转换器,其内部集成了输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、可编程数字滤波器。通过ADS
9、1255转换,能使电阻值更为精确,从而更好的完成设计。2系统方案为了满足设计的需要,该设计采用24位ADS1255模数转换器作为转换核心,MSP430作为主控制芯片。本系统主要由A/D转换电路、MSP430控制电路、电源电路、恒压源电路、换档电路、键盘、显示电路组成,下面分别论证这几个模块的选择。2.1 A/D模块方案方案一:采用MSP430F149单片机内部自带的12位ADC转换器,这种方案节省资源,减轻硬件的设计难度,但是其转换精度比较低,考虑到本设计精确度的要求,MSP430系列自身所带的12位AD很难达到我们所要的精确度。方案二:采用德州仪器的24位数模转换芯片ADS1255,ADS1
10、255有两个数字I/O口,低非线性度,23bit的无噪声精度,数据采样率最大可达30KSPS,带有串行外设接口,具有业界最高性能的模数转换器。由于本系统对转换精度和低功耗有相当高的要求,而单片机内部的ADC和TLC1543对转换精度比较低,权衡的考虑软硬件复杂度和实际的效果。基于上述分析,故选择方案二。2.2 控制器模块方案方案一:采用STC89C52单片机作为控制模块的核心,该芯片运用比较广泛,有良好基础知识,并且该单片机是一个低功耗、高性能的CMOS 8位单片机。但是本系统的程序量较大,需要运行的速度较快,需要的I/O口资源较多,需要的精度较高,51单片机难以胜任。方案二:采用TI公司所生
11、产的MSP430F149单片机为主控制芯片,高性能的模拟技术及丰富的片上资源, 6个8位并行口其中两个有中断功能,强大的定时器,大容量的RAM和ROM,内部自带一个12位的AD,有较快的运行速度,存储大容量的程序,系统稳定工作,方便高效的开发环境。经比较,方案二内部资源丰富,可应用于开发较复杂的系统,加之有TI公司提供的开发环境,开发起来较容易上手。故选择方案二。2.3 主电源模块方案方案一:开关电源。电源的效率高,功耗低、体积小、重量轻、适应的范围大,它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大,对电子设备的干扰较大,而且电路比较复杂不便于测试更不便于维修,对元器件的要求较高。方案二:采用LM317
12、/LM337是三端可调负稳压器,输出从1.2V至37V范围可调,输出电流大于1.5A。这些稳压器仅需要两只外接电阻以设定输出电压和一只输出滤波电容。LM317系列具有内部限流、热过载保护和输出晶体管安全区保护等功能。LM317/LM337可用于分布供电的电路插板和其他电子设备中,以稳定输出电压,加入少量元件也可接成稳流器使用。电路本身还有过压、过流、过热保护。基于上述分析,故选择方案二。2.4 恒压源方案方案一:恒流源是在负载变化的情况下,能相应调整自己的输出电压,使得输出电流保持不变,精度比较高,但是运用在测量电阻,当被测电阻是10M档时,因为输出电流恒定不变,所以电阻上产生的压降很高,无法
13、直接送入单片机,要经过一系列地衰减,会导致误差增大,测量不精确。方案二:采用可编程的精密稳压二极管TL431和一片高性价比、低功耗的LM324运放芯片,放大区工作点范围输入阻抗极高,温度稳定性极好,可以放大音频信号。输入特性曲线在2.5V处,直角转弯,转弯范围约10mV。 输出特性曲线极其水平输出阻抗极大,它相当于4只NPN三极管“基射相联”组成的复合管,只是没有温漂。电路结构简单,测量更精确。基于上述分析,故选择方案二。2.5 换挡模块方案方案一:采用PLC可编程控制器,它具有性能好,可靠性高,抗干扰能力强等特点。但是价格贵,必须使用软件控制。考虑到本设计的情况,故不选择此方案。方案二:采用
14、继电器,主要适于自动控制系统,体积少,实现起来比较容易,自身的保护参数稳定,重复性好,具有多种保护功能与寿命长等多种优点。它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 基于上述分析,故选择方案二。2.6 显示模块方案方案一:采用LED数码管显示。LED功耗低,控制简单,显示清晰。但只能显示数字和一些简单的符号,有的特殊符号无法显示,不能更透彻的显示数据。方案二:用LCD液晶显示。可以显示各种复杂的字符、数字。像素高,信号响应时间短,控制方便,显示方式多,可以实现菜单驱动方式的显示效果,实现编辑模块全屏幕编辑的功能。且本身具有控制器,
15、可以节约主单片机的一些资源更好的应用到其他功能,减轻了主单片机的负担。基于上述分析,故选择方案二。3系统理论分析与计算3.1 电阻测量模块的分析 3.1.1电阻测量量程选取电阻测量分为4个量程,分别为:0100;01K;010K;010M。3.1.2测量电阻值的计算根据电阻分压计算待测电阻的阻值,给定一个稳定的输出电压,给定一个已知电阻R0和待测电阻Rx串联,经过采样,得出待测电阻Rx上的电压Ux,由稳定输出电压5V减去待测电阻Rx上的电压Ux,可得已知电阻R0上的电压,由已知电阻R0上的电压,可得电流I,由待测电阻Rx上的电压Ux和电流I就可得出待测电阻Rx的阻值。如下: (式3.1)图3.
16、1 电阻测量基本计算原理3.2 自动量程转换的分析自动量程转换是通过软件来控制,通过分压公式来进行转换的。在测量时,由于不知道被测电阻的阻值的大小,所以一般将档位置于最低档(即100档)。A/D转换电路从采样端采集回信号后转换成数字信号送给单片机进行比较,实现自动换挡。在A/D进行被测电阻采样之前,它先采集了四个档位的信号电压作为比较的基准,当对待测电阻采样后,将采集来的信号转换成电压信号与基准电压相比,通过程序自动选择相应的档位。采样电阻的电压范围的计算方法: 首先,我们初始选定100档,因为已知固定电阻R为68,由利用电压比例计算的方法,可算出待测电阻Rx的电压Ux。 (式3.2)Ux=2
17、.967V通过采样去得的待测电阻的电压值U来自动选档,首先将采样U和一档的Ux比较,如果大于Ux,自动跳入二档,再采样U与二档的Ux相比较,如果还是大于Ux,继续跳入三档,再次采样比较,超出范围就跳入四档,就这样形成了一个自动换挡。22 4电路设计4.1 系统总体框图键盘控制电路MSP430F149单片机A/D转换电路固定待测 电阻换挡电路恒压源电路液晶显示电路 图4.1 系统总体框图4.2 A/D转换电路 ADS1255是一款高性能的A/D转换器,其内部集成多路选择开关(MUX)、可编程增益控制器(PGA)、四阶调制器、可编程数字滤波器等,具有极低的噪声,可满足高精度的测量要求。ADS125
18、5可配置成一个差分输入或两个单端输入,其实现方法比较简单,需采集的信号输入到ADS1255差分输入的正端AIN0,参考电压2.5V输入到差分输入负端AIN1,同时需设置ADS1255内部的PGA=24。这样可以提高ADS1255的输入动态范围。它的内部结构图如图4.2所示。图4.2 ADS1255内部结构图ADS1255模块接口说明:板上一共有三排插针,每个插针都已标注,其中一排插针(6针)用于向ADS1255的内部数模电路提供工作电压(3.3V,5V)和基准电压(2.5V);其中一排插针(5针)用于MSP430F149单片机通信;另外一排插针(2针)为测量电压的输入端,其中VINn为被测电压
19、的负端(可接地),VINp为被测电压的正端(特别注意:电压差VINp-VINn应小于Vref2.5V,超过该值则测量不准;如果超过5V,ADS1255模块将很可能损坏)。ADS1255与MSP430F149的对应接口如下:SCLKP3.3,DINP3.1,DOUTP3.2,DRDYP2.2,CSGND。其原理图如图4.3所示。图4.3 A/D转换电路4.3 主控制电路采用TI公司所生产的MSP430F149单片机为主控制芯片,系统电路设计如图4.4所示。MSP430F149有6个八位并行接口;完全可以实现该系统所有信号的输入、输出,无须硬件扩展,其中P1、P2 八位并行端口的每根口线都具有中断
20、功能,使键盘的软、硬件设计变的非常简单。MSP430F149所提供的丰富资源,外围硬件扩展只需做很少的工作,不仅设计变得非常简单,而且该芯片体积小、可靠性高。MSP430F149单片机丰富的I/O口资源有效的降低了硬件的设计的难度。MSP430更适合于低功耗、高速实时控制以及数据计算,拥有更多的片上资源供设计使用,是设计的不错选择。图4.4 MSP430F149原理图4.4 恒压源电路采用一个可编程的精密稳压二极管TL431和一片高性价比、低功耗的LM324运放芯片,完成了基准电压电路设计,如图4.5所示。由TL431、R11、LM324构成了基准电压,它是一个恒压源。12V电源电压经过R11
21、限流,由TL431基准电压芯片进行稳压,输出一个2.5V的恒定基准电压,该电压输入给运算放大器LM324进行放大。由图可知,该运放为同相比例运放,其外接电阻R114和U111被设置为相等时,其电压放大倍数为2倍,将输出一个恒定的5V电压,提供给换挡电路。图4.5 恒压源电路4.5 换档电路利用继电器的开闭来控制换挡。当阻值超过第一个档位,第一个继电器关闭,第二个继电器开启。当阻值超过第二个档位,第二个继电器关闭,第三个继电器开启。就这样依次换挡,具体的换挡电路如图4.6所示。图4.6 换挡电路4.6 键盘采用的44的矩阵式键盘,矩阵式键盘是用N条I/O线作为行线,M条I/O线作为列线组成的键盘
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