(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

隨著中國制造2025的提出，電子產(chǎn)品受到了國家的高度重視，智能化發(fā)展趨勢已成定局。如今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，電子信息類從業(yè)者對電阻電容等參數(shù)的測量需求與日俱增。目前市面上的電阻電容測量儀存在操作復(fù)雜，精度不足，成本高昂等問題，如何提高此類產(chǎn)品的自動化程度、測量精度，減小體積，降低成本成為了研究的主要方向。

本文介紹了一種采用STC89C52單片機作為主控芯片[1]，使用高精度16位ADC LTC1864對待測電阻進行測量，測量范圍0至3 MΩ，單片機控制繼電器實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換；利用NE555芯片分別與100，100 k，10 M等電阻組成多個多諧振蕩器，采集振蕩頻率[2]，完成對5 pF到500 μF電容的測量。數(shù)據(jù)通過LCD1602顯示出來，并顯示相應(yīng)提示語句，超出量程時，顯示屏提示報警。電阻測量時將待測電阻插入插槽，即可顯示讀數(shù)；電容測量時，只需判斷其大致類型屬于pF、nF、μF哪一種，即可顯示讀數(shù)；還增設(shè)了二極管導(dǎo)通判斷功能。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)內(nèi)各量程電阻測量精度可達0.09%，各量程電容測量精度可達1%。本測量儀具有自動化水平高，測量精準，使用簡便，成本低等特點，解決了同類型產(chǎn)品價格高昂，精度不準，操作繁瑣等問題。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本設(shè)計以STC89C52單片機作為主控芯片，由顯示模塊、按鍵模塊、電容測量模塊、電阻測量模塊、ADC模塊、二極管模塊和量程轉(zhuǎn)換模塊組成。

通過按鍵模塊中的復(fù)位按鍵、模式按鍵，單片機接收到使用者發(fā)出的控制信息，憑借按鍵值選擇測量模式，當電阻測量時，電阻測量模塊采集的電壓值模擬量經(jīng)過ADC模塊轉(zhuǎn)化后得到數(shù)字量，傳遞給單片機[3]，與此同時單片機控制量程轉(zhuǎn)換模塊，驅(qū)動三極管使繼電器導(dǎo)通，完成量程的自動轉(zhuǎn)換；當電容測量時，單片機對電容測量模塊中多諧振蕩器的振蕩頻率進行計數(shù)；測試結(jié)果輸出到LCD1602顯示。

系統(tǒng)電路方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路方框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊(包含顯示模塊，按鍵模塊)設(shè)計

主控模塊采用由STC89C52組成的最小系統(tǒng)，包括復(fù)位電路，時鐘電路。STC89C52采用了低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8 k字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash存儲器，512字節(jié)隨機存取存儲器，4個8位雙向IO口，看門狗定時器，內(nèi)置4 KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路；可調(diào)用3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，以及一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜操作；利用全雙工串行口進行數(shù)據(jù)傳輸、外設(shè)擴展，最高運作頻率可達35 MHz[4]。

在STC89C52單片機中，要使單片機復(fù)位需要在晶振工作時，在RST引腳上保持至少兩個機器周期的高電平信號，為滿足本設(shè)計上電自動復(fù)位的設(shè)計要求，本設(shè)計將VCC通過10 μF電容連接至RST引腳，同時將RST引腳經(jīng)過500 Ω電阻和地相連，利用10 μF電容充電特點，使RST引腳電壓慢慢減小，完成本設(shè)計上電自動復(fù)位的要求。

本設(shè)計時鐘電路采用內(nèi)部時鐘方式，將12 M晶振通過19腳、20腳與單片機內(nèi)部的高增益反向放大器相連，同時接入30 pF的微調(diào)電容構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器電路。

顯示模塊采用LCD1602，1602 采用標準的16腳接口，其管腳說明如下。

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5 V正電源。

第3腳：V0為LCD顯示器的對比度調(diào)整端，對比度高低與該腳電壓大小成負相關(guān)，對比度設(shè)置的不恰當會影響LCD數(shù)據(jù)顯示，使用時可以通過一個10 k的電位器調(diào)整對比度。

第4 腳：RS為寄存器選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器向LCD1602傳輸數(shù)據(jù)、低電平時選擇指令寄存器對LCD1602進行指令控制。

第5腳：RW為讀寫信號線，與單片機的一個IO口連接，當RW為低電平時，進行寫操作；當RW為高電平時，進行讀操作。可與RS端配合，進行更復(fù)雜操作，如果不需要進行讀取操作，可以直接將其接VSS。

第6 腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

第15～16腳：這兩個引腳為LCD1602背光端，在仿真中通常隱藏。

LCD1602與單片機P0.0--P0.7及P2.0,P2.1和一排阻連接，用于從單片機接收控制數(shù)據(jù)及顯示數(shù)據(jù)；在LCD1602的3腳連接一10 k滑動變阻器，用于修改對比度[5]。

按鍵控制模塊中的模式選擇按鍵由一按鍵和一10 k電阻組成，其SW端連接至單片機P3.3腳。默認測量電阻，當該按鍵按動，即切換至電容測量。

主控模塊原理圖如圖2所示。

圖2 主控模塊

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

本設(shè)計采用LTC1864作為ADC模塊的主要芯片，利用該芯片16位串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，配合5 V電壓，可達到5/65535的測量分辨率[6]。該芯片采用單5 V電源供電，可在-20～ +50 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，最大采樣率為250 ksps，隨著采樣速率的降低，供電電流減小，低功耗符合本設(shè)計要求。

LTC1864共8個引腳，在proteus軟件中僅體現(xiàn)6腳，其1腳參考電壓端接5 V VCC；2腳接收電阻測量模塊的數(shù)據(jù)；3端接地，與1端中間連接0.1 μF電容隔直；5(CONV)、7(SCK)、8(SDO)腳分別與單片機1、2、3腳連接，用于時鐘及傳送數(shù)據(jù)。

ADC轉(zhuǎn)換模塊原理圖如圖3所示。

圖3 ADC轉(zhuǎn)換模塊

2.3 電阻測量模塊(包含量程轉(zhuǎn)換模塊)設(shè)計

本系統(tǒng)的電阻測量模塊由基準電阻、三極管、穩(wěn)壓二極管、繼電器、反相比例運算放大器、電壓跟隨器和待測電阻組成。

反相比例運算放大器和電壓跟隨器中的運算放大器均采用OP07芯片，OP07是雙極性的運算放大器集成電路，具有低噪聲、非斬波穩(wěn)零、輸入偏置電流低、開環(huán)增益高等特點，在高增益的測量設(shè)備和放大微弱信號傳感器上廣為適用。

不同于以往電阻測量設(shè)計中的比例測量法[7]，本系統(tǒng)中反相比例運算放大器承擔了采集待測電阻電壓的主要任務(wù)，反相比例運算放大器沒有共模輸入信號，反相端虛地，輸出電阻近似為零，大大減少了電阻測量中產(chǎn)生的誤差。

如圖4所示，當選擇至電阻測量模式時，RX待測電阻與基準電阻從大到小依次連接，直到單片機發(fā)出量程合適信號為止。當繼電器導(dǎo)通時，在U6處的反相比例放大器將采集到待測電阻的負電壓值，在U4處的1:1反相放大器將電壓值由負值轉(zhuǎn)換為正值，由于電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的顯著特點，最后在輸出級通過U41處的電壓跟隨器將電壓值傳遞給ADC模塊中的 LTC1864，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

量程控制方面利用單片機控制S1,S2,S3處三極管基極的高低電平，從而控制繼電器某一路導(dǎo)通與否，達到自動轉(zhuǎn)換量程目的，其中STC89C52單片機端口的輸出電流很小，不能直接驅(qū)動繼電器，所以利用三極管進行放大，再用放大的信號去驅(qū)動繼電器[8]。

本設(shè)計所用繼電器為歐姆龍公司C6L系列的信號繼電器，具體型號為G6L-1F-5 V。該繼電器體積小，可高密度安裝，減小了測量儀器體積，便于攜帶；穩(wěn)定性極強，可保證觸點快速咬合，減少故障的發(fā)生；接觸電阻為100 MΩ，消耗功率僅為180 mW，符合本設(shè)計長續(xù)航的設(shè)計要求。

電阻測量模塊原理圖如圖4所示。

圖4 電阻測量模塊

2.4 電容測量模塊

本系統(tǒng)使用STC89C52單片機以及NE555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路進行電容測量[9]。NE555是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。

在系統(tǒng)中，NE555芯片分別與100，100 k，10 M電阻組成多諧振蕩器，在直接反饋無穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下工作，此時555芯片會輸出一定頻率的方波，其頻率的大小與被測量的電容之間的關(guān)系是：

以往的研究提示，不同年齡及不同臨床分期陰莖癌患者的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移存在差異[8-9]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，60歲以上的陰莖鱗狀細胞癌患者術(shù)后復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的發(fā)生率明顯高于60歲以下的患者（43.4% vs 77.8%）。臨床分期為Ⅲ和Ⅳ期的患者，術(shù)后復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的發(fā)生率明顯高于Ⅰ和Ⅱ期的患者（100.0% vs 53.7%）。上述結(jié)果說明不同年齡和臨床分期的患者其預(yù)后和生存期有明顯差異，也提示臨床上應(yīng)對陰莖鱗狀細胞癌患者進行早期診斷和早期干預(yù)，尤其對于老年（＞60歲）和臨床分期較晚的患者（Jackson分期Ⅲ和Ⅳ期）術(shù)后應(yīng)及時進行復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移的監(jiān)測[10]。

F=0.722/(RC)

(1)

式中，F(xiàn)為振蕩頻率；R為所選檔位電路的阻值；C為所要測量電容值。

如果電阻值確定，使用單片機定時一秒鐘，用單片機的計數(shù)器測量出相應(yīng)方波的頻率，就能得到電容的大小。

NE555 IN端連接單片機P3.5,μF端連接P2.5，nF連接P2.6，pF連接P2.7。

電容模塊中的換擋電路由3個擋位組成，將電阻串接在NE555芯片3，6腳之間，通過改變電阻值進行擋位的調(diào)整，并使用LED燈提示。

其中C為待測電容，根據(jù)公式(1)。

當SW1閉合時，電阻R的值是100歐姆，公式改寫為：

F=0.00722/C=7220/(C*1 μF)

(2)

該檔位可以測量μF級別的電容。

同理，當SW2閉合時，電阻R的值是100 k歐姆，此時多諧振蕩器中RC的數(shù)量級不變，振蕩頻率仍在單片機可測范圍內(nèi)，由此可以測量nF級別的電容。

同理，當SW3閉合時，電阻R的值是10 M歐姆，由此可以測量pF級別的電容。

電容測量模塊原理圖如圖5所示。

圖5 電容測量模塊

2.5 系統(tǒng)電源設(shè)計

實物制作時，需考慮采用何種供電方式如何供電，本設(shè)計大部分為典型數(shù)字元器件，供電要求都為+5 V或-5 V，由于基準電壓決定著電阻測量模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，其中LTC1864對供電要求尤其嚴格。

LM385系列為微功率二端帶隙穩(wěn)壓器二極管，具有非常低的動態(tài)阻抗、低噪聲、穩(wěn)定性強等特點，可隨時間和溫度的變化而穩(wěn)定工作，使用方便，用途廣泛。

本設(shè)計采用9 V方電池，通過電壓基準芯片LM385-5V0得到+5.00 V基準電壓，5 V電壓通過電源極性轉(zhuǎn)換器ICL7660，產(chǎn)生-5 V電壓，從而實現(xiàn)OP07的雙極性供電要求。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法[10]。整個程序由主程序模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、電阻測量模塊、電容測量模塊、延時模塊，計數(shù)器模塊、定時器模塊、中斷模塊、LCD顯示模塊等模塊組成。其中最主要的是主程序、ADC轉(zhuǎn)換模塊、電阻測量及電容測量程序設(shè)計。

3.1 主程序流程圖

當系統(tǒng)上電之后，單片機開始初始化操作，默認按鍵值為1進行電阻測量，按動一次mood模式按鍵后，按鍵值改變?yōu)?進行電容測量，而二極管模式上電即運行，不需程序控制，僅需將待測二極管按提示插入相應(yīng)位置，若二極管導(dǎo)通，即蜂鳴器發(fā)聲提醒。

主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 電阻測量16位ADC LTC1864 子程序設(shè)計

在ADC LTC1864子程序中，需先將CONV端置高電平，打開ADC轉(zhuǎn)換，再將CONV置低，并延時幾微秒，判斷16位采樣值是否為1，再將該數(shù)據(jù)傳入單片機中。

LTC1864 子程序流程圖如圖7所示。

圖7 16位ADC LTC1864子程序流程圖

3.3 電阻測量子程序設(shè)計

電阻測量子程序是通過調(diào)用ADC采樣程序，對所測電阻范圍進行大致估計，同時依據(jù)ADC最大檔位采樣后的值進行檔位選擇，將繼電器換到合適的測量檔位，為減小誤差，五次調(diào)用A/D采樣子程序五次讀取A/D采樣值取平均值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最后將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。

交流電壓通過整流、濾波得到的直流電壓會因濾波不充分，含有剩余的交流成分；直接使用電池供電，也會因負載波動而產(chǎn)生波紋。由于存在波紋電壓，基準電壓源波動，從而會影響到LTC1864的基準電壓，導(dǎo)致電阻測量產(chǎn)生誤差。

本設(shè)計在電阻測量數(shù)據(jù)處理上引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的思想，利用LTC1864轉(zhuǎn)換速度快的特點，建立數(shù)組短時間存儲大量電阻測量數(shù)據(jù)，使用快速排序法，任取其中一個測量值作為中心，所有比它大的值一律前放，所有比它小的值一律后放，從而形成左右兩個子表，在各子表重新選擇中心值，依此規(guī)律調(diào)整，直至每個子表元素只剩一個，完成對電阻測量數(shù)據(jù)的大小排序。該序列的中心值即為最接近實際值的測量結(jié)果。

該快速排序法每趟可確定多個元素位置，并且成指數(shù)增加，可十分快速地完成排序，不會對實際使用產(chǎn)生任何影響。

電阻測量流程圖如圖8所示。

圖8 電阻測量程序框圖

3.4 電容測量子程序設(shè)計

電容測量子程序是利用單片機的定時計數(shù)器，配合中斷來完成。STC89C52單片機內(nèi)部有兩個定時/計數(shù)器T0和T1，其基本功能都是加1。通過設(shè)定單片機寄存器數(shù)值，可利用定時器進行定時；利用計數(shù)器對外部事件下降沿計數(shù)。我們使用定時器定時一秒鐘，計數(shù)器在此期間內(nèi)增加的數(shù)值就是555多諧振蕩器方波的大小，將得到的頻率依據(jù)公式(1)處理，最后將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。

電容測量流程圖如圖9所示。

圖9 電容測量程序框圖

4 測試結(jié)果

4.1 實驗步驟與方法

為了測試該智能電阻電容測量儀的運作情況及測量精度，先在proteus軟件中畫出本設(shè)計仿真電路圖，再利用proteus軟件將待測電阻電容參數(shù)修改，得到仿真測試數(shù)據(jù)[11]。

仿真環(huán)節(jié)結(jié)束后進行實物制作測試環(huán)節(jié)，通電本系統(tǒng)開始工作，首先將想測量的電阻電容插入相應(yīng)的槽內(nèi)，默認先開始進行電阻測量，按動mood模式鍵后，進行電容測量，再按動RC復(fù)位鍵，即可又回到電阻測量。二極管導(dǎo)通測量則獨立于電阻電容測量，無需按鍵控制，直接將二級管放在相應(yīng)位置即可，導(dǎo)通即會蜂鳴器發(fā)聲。

4.2 實驗數(shù)據(jù)

電阻、電容的仿真結(jié)果分別如表1表2。

電阻、電容的實測結(jié)果分別如表3表4。

表1 電阻測量仿真數(shù)據(jù) Ω

表2 電容測量仿真數(shù)據(jù)

表3 電阻實測數(shù)據(jù)

Ω

表4 電容實測數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果分析：

從表1和表2可知，電阻仿真精度最高可達0.09%，電容測量精度在1%以內(nèi)。操作中無需手動切換檔位，實現(xiàn)了量程的自動轉(zhuǎn)換。

在實際電阻測量環(huán)節(jié)中選用高精度千分之一誤差的電阻500，5 k進行測試，從表3可知，本系統(tǒng)在電阻實測中依然具備高精度的特點；在電容實測時由于待測電容本身精度不足，造成表4中偶爾測量誤差略大。

此外，由于實際制作中各元件間難免存在干擾，其中干擾對電容測量的影響最大，針對此問題，在得到大量電容仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過電容實測值與仿真值的對比校正，依據(jù)最小二乘法，估計干擾比例系數(shù)，再對程序進行修改，使電容測量誤差大大減小。另一方面，由于電源本身輸出電壓存在微小波動，也會導(dǎo)致實測值與仿真值稍有不同。

5 結(jié)束語

本智能電阻電容測量儀是以STC89C52單片機為操作核心，在電阻測量方面采用LTC1864高精度十六位ADC采集電壓計算電阻值，使電阻測量精度大大提高，其中仿真精度可達0.09%，通過單片機控制繼電器實現(xiàn)電阻的量程自動轉(zhuǎn)換，操作簡便；在電容測量方面使用NE555芯片分別與100，100 k，10 M電阻組成多諧振蕩器，通過單片機計數(shù)器計算振蕩頻率，實現(xiàn)寬量程電容的測量，操作簡單，精度高。該電阻電容測量儀操作界面僅有兩個按鍵，大大簡化了操作流程，易于上手。除此之外，該電阻電容測量儀所采用的元件結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，總成本約為50元，遠低于同功能相似產(chǎn)品，易于推廣。