单片机典型案例开发（五）

一、基于单片机设计的小电阻测试仪

　　1、引言

　　在电路测试过程中常常会碰到由于忽略某些小电阻的影响引起实验数据与理论值之间存在较大误差，从而影响测试效果。例如电感器、变压器中往往存在铜电阻，地铁铁轨的电阻;由于其数值较小，一般的指针万用表无法测量出来;通常实验室里会用电桥进行测量，但电桥操作手续较烦，又不能直接读出被测电阻阻值。鉴于此，我们采用了单片机，利用单片机的优势设计了该测量仪。该测量仪可直接从LCD显示屏上读出所测得的电阻值，测量范围为10μΩ～2.9999kΩ，同时可以把测试的数据进行储存，然后经串行口送入上位机，通过上位机的强大功能，可以对所测得的数据进行分析、处理。该测试仪的测量精度高达±0.1%，并采用四端测量法，电阻值不受引线长短及接触电阻的影响。不仅测量简便，读数直观，且测量精度、分辨率也高于一般电桥。可用于实验室、研究所，尤其适用于工作现场。

　　2、测试原理

　　如上图本机的基本原理是采用在被测电阻上通过已知的恒定电流，取出被测电阻上的压降，经放大器放大转换为0～3V直流电压，然后送入C8051F005A/D转换的输入端，经单片机处理，最后经过液晶显示器直接显示电阻阻值。

　　由于要实现对微小电阻的测量，所以要求放大器的分辨率高（高潮达10μV），线性度好，输入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强，为此我们设计了如图2中信号处理电路所示的差动放大器。此放大器由运放A1、A2组成第一级差分式电路，A3组成第二级差分式电路，R3、R4、RW组成反馈网络，引入了深度电压串联负反馈，故有较高的输入阻抗，且A1、A2都选同相端作为输入端，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再经过A3组成的差分式电路，可以互相抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压;A4是电压反向跟随器，其作用是使前后级隔离。分析此电路可得下列方程。

　　当R5= R7、R6= R8时，上述方程化简可得：

　　从（3）式知输出电压U4与被测电阻RX成正比。放大器的倍数由R3、R4、RW而定，由于A/D转换器的输入电压为0～3V，本仪器设置放大器的放大倍数为10倍，在U4端得到0～3V的直流电压。为了保证放大器的分辨率和稳定性，除上述电路本身优点外，集成运放A1、A2、A3选用了高精度、低噪声、低漂移的max495，反馈支路的电阻均选用高精度、低温度系数的精密电阻，此外还采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪声和干扰。测试时被测电阻与测试仪器间采用四端接线法，恒流源电流经IN1输入从IN2输出，测量时用四根专用导线与被测电阻Rx连接，当被测电阻较小时，为了避免导线电阻和接触电阻的影响，四根连接导线要做到特性一致、阻抗相同，这样就可以消除导线电阻和接触电阻的影响。

　　3、小电阻测试仪的硬件设计

　　该仪器的核心部分是能够实现各种功能的电路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型单片机C8051F005。该系统主要包括电源电路、信号采集电路、信号放大电路、液晶驱动及显示电路、串行通讯电路、系统复位电路和C8051F005单片机系统电路（包括模数转换电路）。系统各部分的详细电路如图2所示。

　　3.1、C8051F005单片机系统电路

　　本系统使用的是C8051F005，它具有如下特点：

　　片内有多达60KB的Flash ROM和2KB RAM，用户无需再外扩存储器;

　　一个12位的A/D转换器ADC12，自带采样保持功能;

　　两通道串行通讯接口，可用于异步或同步模式;

　　一个模拟比较器，可实现电压比较或基准电压的输出。

　　ADC12是12位精度的A/D转换模块，带有采样保持功能，具有高速、通用的特点。它有8个外部信号采样通道和4个内部通道。由差动放大器输出的信号由通道0输入单片机，A/D转换的时钟、转换模式和参考电压源都可以由用户用软件设置。

　　由于该单片机内部集成了众多的外围模块，不但使电路的设计变得简单，还可以大大缩小电路板的尺寸。另外，在电路板上预留一个JTAG接口，再配以一个普通的PC机，就可以很方便地实现系统软件的调试。

　　图2、系统详细电路图

　　3.2、串行通讯电路

　　C8051F005单片机内部集成了两个通用串行同步/异步模块USART0和USART1，均支持两种不同的串行协议，即;通用异步协议（UART协议）和同步协议（SPI协议）。本电路采用UART协议，再通过一个RS232接口芯片MAX3221E与PC机通讯。

　　MAX3221E是工作电压为+3.0～+5.5V、仅需1μA的供给电流且具有自动关闭功能的单路RS-232收发器。C8051F005单片机的一大特点就是低功耗，它有多种功耗状态可以编程控制。MAX3221E也是具有低功耗特点的接口器件，通过EN、FORCEON、FORCEOFF引脚可以控制驱动器、接收器的工作状态，启动或禁止自动降低功耗功能，从而使其工作在不同的能耗状态，达到降低功耗的目的。

　　3.3、电源电路

　　本系统采用电池供电，这样既可以保持系统运行的稳定可靠又可便于在实验室以外的环境下使用。

　　3.3、LCD驱动及显示电路

　　LCD显示选用型号为SMS0501C段码显示驱动器。该液晶显示器的接口方式为二线式串行接口，显示方式为反射式正显示，工作电压为2.7V~5.5V。

　　3.4、其他电路

　　除了以上几个主要的电路外，系统还有电源欠压检测电路和系统复位电路等。电源欠压检测电路采用的是C8051F005单片机内部集成的模拟比较器来实现。系统复位电路采用按钮复位形式，利用电容的充放电对单片机进行正确复位。当按钮被按下时，C8051F005单片机的RST引脚即为低电平，只要这个低电平保持2个机器周期以上，单片机即可正确复位。

　　4、软件设计

　　本系统的软件设计采用模块化设计的方法，整个程序包括主程序、数据采集程序、数据处理程序、串行通讯程序、定时器中断程序、LCD显示程序。所有的程序均采用C语言编写，可以很方便地调试和下载程序代码。限于篇幅，本文只给出主程序的流程图，如图3所示。

　　系统的主程序主要完成C8051F005单片机系统的初始化、设置系统时钟和中断字，调用键盘处理程序，根据不同的按键转入相应的服务程序，完成不同的功能，如数据的采集与处理、串行通信以及历史记录的查询。其中串行通讯子程序不仅可以将单片机存储的数据传送到PC机进行处理分析，用户也可以根据情况从PC机上设置待测数据多少以及测试时间的长短等。

　　5、结束语

　　测试准确，该仪器在对10μΩ～10Ω的微小电阻测试时读数稳定性也较好，且测量精度高。

　　根据如上所述的电路原理，开发出了样机，经实验证明该仪器的功耗低，这样就大大增加了电池的使用寿命;体积小，重量轻，便于携带，很适合在野外及工作现场使用。

　　二、用89C2051单片机制作的电话回拨器

　　该电话回拨器采用单片机控制，具有电路简单、接触可靠、使用方便等优点。

　　一、工作原理

　　电路见附图所示，系统由摘机，挂机电路、单片机拨号控制电路、DTMF号码产生及放大电路、电源电路等四部分组成，下面分别予以介绍

　　1.摘机/挂机电路

　　图中，J1为电话线进线插座，J2为该装置所并联的电话机插座，Rl为保险电阻;DI—D4为极性保护电路，用于将线路上极性不确定的电压转换成极性固定的电压，保证无论电话线的正负极如何连接，都能使进入开关管VI发射极的一端始终是正电压;V1是电子开关，该开关的通、断受单片机P3.7口控制，当P3.7为高电平时.V2、VI相继导通，电话线路上的48V电压通过VI加到R5两端，电话线上有电流通过，此时处于摘机状态;当P3.7为低电平时.V2、VI截止。电话线上没有电流通过，此时处于挂机状态。在摘机状态，由电话机房送出的48V供电电压大部分由电话线的线路电阻衰减.R5两端产生的电压降大约在5V~15V之问。

　　2.单片机拨号控制电路

　　89C2051完成对拨号芯片的控制，R8、c5为复位元件，完成上电复位，JTI为6MHz晶振。

　　用Pl口的8根线完成对拨号芯片的控制。

　　3.DTMF号码产生及放大电路

　　使用MK5087型DTMF拨号专用芯片。该芯片原本是行列式按键输入芯片，即4条行线及4条列线组成16个按键，实践证明，该芯片不但具有行列式键盘输入，而且与51系列单片机具有良好的接口性能。下面对该芯片各引脚的功能予以介绍。

　　第（1）脚：电源正极，工作电压范围为3.5V—10V。（2）脚：状态输出端，当芯片发出DTMF信号时。该脚呈低电平，否则呈高电平。（3）、（4）、（5）、（9）脚：键盘列线输入端，内接下拉电阻，高电平有效，当该脚与任一行线连接，或者一条行线与一条列线同时有效时，此时芯片发出DTMF信号。

　　（6）脚：电源负极。（7）、（8）脚：振荡输入、输出端，接3.58MHz晶体。（10）脚：该脚与第（2）脚正好相反，当芯片发出DTMF信号时，该脚呈高电平，否则呈低电平。（11）、（12）、（13）、（14）脚：键盘行线输入端，内接上拉电阻，低电平有效，当该脚与任一列线连接，或者一条行线与一条列线同时有效时，芯片发出DTMF信号。（15）脚：单音是否有效控制端，内接上拉电阻，当该脚接地时，芯片只能发

　　出双音频，而不能发出单音频：当该脚接高电平或悬空时，芯片既允许发出单音，又允许发出双音，只有在行线和列线不同时有效的情况下，芯片才能发出单音频信号。（16）脚：DTMF信号输出端：（16）脚发出的DTMF信号经V3放大后，从V3集电极送入到线路中。

　　该芯片行列键盘与DTMF号码为对应关系，当某一按键按下时，相当于该按键的行线R为低电平、列线C为高电平;同样，当某一行线R为低电平、列线C为高电平时，等效于该行线与该列线交叉的按键被按下。

　4.电源电路

　　电源电路中，220V交流电压经变压器B变为9V.然后经D5~D8整流，CI、C2滤波，再经ICl（7805）稳压.C3、C4滤波后输出稳定的Sv电压，供单片机及号码产生电路使用。

　　采用外加交流电源供电的优点是：当电话线路过长（比如大干20km甚至更多）。如果电话线上的电压因为线路过长衰耗太大，以致于到了终端，电压降不能维持终端设备工作甚至为零的情况下，该系统仍然能够正常工作。

　　二、制作安装

　　所有元件安装在50mmx80mm的板上。板上有8个螺丝孔，两个用于将变压器固定在线路板上，一个用于固定7805，其余5个用于将线路板和机壳固定。电话进线插座和出线插座安装在机壳上，并通过连线与板上的JI和J2杆|连。指示灯LED在线路板上设计有安装位置，也可根据外观的设计需要将指示灯引出。J3为220V电雎输入端.J4用于和机壳上的开关K连接。为便于改写程序，单片机IC2不直接焊接在板上，而是通过IC插座插入，这样改写程序时，可直接将单片机从板子上拿下来。需要指出的是，由于R5产生的功耗较大，一定要用功率为IW或2W的水泥电阻.Rl要用不大干51Ω的保险电阻。变压器用2W的即可，其他元件没有特殊要求。

　　三、程序流程（见下图）

　　四、源程序清单

　　下面是以拨手机号码18797130900为例的源程序代码：