基于单片机的低功耗数字电阻测试仪设计与研究

基于单片机的低功耗数字电阻测试仪设计与研究

文章是以16位的低功耗MSP430单片机为控制芯片的简易低功耗数字电阻测试仪的设计，整个系统包含CPU模块、电源DC-DC模块、电阻数据采集处理模块、数据显示等模块。本系统采用了TI公司生产的低功耗CPU、高输入阻抗LMC6484运算放大器、DC-DC电源芯片TPS54331等元件满足低功耗、高输入阻抗的设计要求，通过互锁按键选择测试功能并能实现量程自动切换功能。通过整机试运行和利用标准元件校验测试精度。

标签：MSP430单片机；DC-DC变换器；电阻测试

1 设计方案

采用恒流法测电阻，通过搭建恒流源，取样待测电阻两端电压的方法，通过欧姆定律，来求被测电阻的阻值，这种方法测量比较准确，但是电路搭建比较麻烦并且只能测小电阻和中值电阻。采用恒压法测量电阻，通过把精密电阻与待测电阻串联的分压形式，采集待测电阻两端的电压，即可求出待测电阻的阻值，这种方法也是比较准确的，同时电路搭建起来也非常方便，只需采用电路的标准电压来提供固定电压，通过相应的处理，即可快速精确的计算出待测电阻值。

2 总体设计

该系统主要由功能轉换及变换电路、电源变换电路，单片机控制系统、显示部分和输入部分组成，电源变换部分主要完成低功耗系统电源设计。被测量对象首先经变换电路取得电阻两端的电压送给MSP430单片机控制系统。然后在输出设备上显示电阻的阻值。

3 详细设计

3.1 DC-DC电源处理电路的设计

常用的线性稳压芯片搭建的电源电路，设计方便简单，但是功耗比较大，不满足低功耗设计要求。采用DC-DC电源模块功耗小，效率高。其PWM开关控制方式，可极大地提高电源转换效率，可高达90%以上，并且输出电压可以很方便的调节，所以非常适合低功耗，电源要求高的产品。

DC-DC电源处理电路如图2所示。通过DC-DC电源芯片TPS54331产生3.3V 电源，给CPU、运放等芯片供电。该电源具有功耗低、效率高、纹波小等特点。

3.2 电阻测量电路设计

电阻测量电路如图3所示。将被测电阻的测量转化为电压测量，对100Ω量程电阻的电压实行11倍放大，对1kΩ、10kΩ量程电阻的电压实行1倍放大。

3.3 显示部分

采用万用表常用的段式显示屏，其优点是功耗小，显示简单，缺点是这种显示屏需要特别定制，采购不方便，同时显示过于单调，不适合人机界面相对丰富的产品。采用无背光也可以清晰显示的128*64液晶屏显示，其功耗较普通万用表段式液晶屏大不了多少，这既解决了液晶屏功耗高的问题，同时在环境较暗的时候还可以手动开启背光，方便作业。同时它的显示功能相对强大，可以显示很丰富的界面，这是非常适合智能化，人性化的电子产品的。

3.4 软件设计

在硬件设计中选用了JFET型运放及精密电阻组成的模拟信号调理电路，然后使用MSP430内部的ADC对其进行采样，用软件算法实现电压、电阻计算、校准和自动量程切换功能；采用MSP430的定时器捕捉功能实现电容测量中脉冲周期的精确测量。此设计方案中，将大部分的功能实现工作放到了软件中来实现，有助于降低系统的硬件复杂性，从而提高整个系统的可靠性，同时又能提供极佳的灵活性。

软件包含了MSP430相关外设的配置驱动、核心算法的实现以及用户界面等，主要包含主调度模块、核心算法模块（包括过采样算法、有效值算法、脉冲捕捉变换算法、电桥采样还原算法等）、液晶显示模块、按键扫描模块等。主程序主要完成的功能是等待按键并执行相应的按键操作，根据具体的功能计算数据，通过动态方式不断的刷新显示。其他功能都在各自的中断服务程序中完成。

4 结束语

基于单片机的电阻测量仪既能代替传统的万用表，又具有扩展各种输入输出模块，让测量的过程和数据能满足用户的需求。另外常用的线性稳压芯片搭建的电源电路，设计方便简单，但是功耗比较大，不满足低功耗设计要求。在设计中采用了DC-DC电源模块，这一模块的特点是功耗小，效率高，可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益，在现代工业中发挥着越来越重要的作用。

参考文献

[1]MSP430F149用户手册[Z].

[2]关于TPS54331、LMC6484资料[Z].

[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2011.