高精度电阻测量仪

高精度电阻测量仪的研制
摘要
当今世界，随着科学技术的飞跃，单片机在科技领域的应用越来越来广泛，尤其是在电子行业，几乎成为了不可缺少的部分。

随着电子工业技术的不断进步，电子元器件的需求也在不断增加，其适用范围越来越广泛，我们的生活也越来越离不开单片机了。

在实际生活的应用中经常需要测量一些0.1到99欧姆的电阻，因此对于这个设计需要安全，可靠，迅速的高精度电阻测量仪，这是很有实现必要的。

本系统由惠斯通电桥把电桥的电压变化传给AD620放大器，把放大后的电压传给A/D转换器，用ADC转换芯片采集来的放大电压值，由STM32f103单片机作为数据处理和控制核心，用输出电压之比来计算其被测电阻值的大小，电阻的具体阻值在1602液晶显示器上可以读取。

通过实验室的测试，我的设计性能已经达到开始时的相关要求，性能可靠，操作方便。

关键词：电阻测量；AD转换；STM32单片机；放大器AD620；液晶显示1602
Development of a high precision resistance measuring
instrument
Abstract
In today's world, with the rapid development of science and technology, single-chip microcomputer has become more and more widely used in the field of science and technology, especially in the electronics industry, and has become an indispensable part.With the development of the electronic industry, the electronic parts are growing rapidly and the electronic parts are becoming more and more extensive. Our life is more and more dependent on MCU. It is necessary to measure the size of some small resistors in real life applications. Therefore, a safe, reliable and fast high-accuracy resistance measuring instrument is necessary for this design.
This system is composed of Wheatstone bridge to bridge the voltage to the AD630 amplifier, the voltage amplifier to A/D converter, ADC converter chip used to collect dozens of amplified voltage values by the STM32f103 microcontroller as the data processing and control core, calculating the resistance value with the ratio of the output voltage of the size of the display resistance data through the liquid crystal display LCD1602. Through the actual testing, the performance index of the system has reached the design requirements, the work is reliable, and the operation is simple.
Key Words:resistance measurement ；AD conversion ；STM32 single-chip microcomputer amplifier AD620 LCD display1602
目录
1 绪论 (1)
1.1 选题来源 (1)
1.2国内外现状 (1)
1.3研究目的及其意义 (2)
2系统硬件设计与选择 (3)
2.1系统的总体设计 (3)
2.1.1设计方案选择 (3)
2.1.2 设计要求 (3)
2.1.3方案设计图 (4)
2.1.4核心控制单元 (4)
2.2各部分系统设计 (6)
2.2.1 STM32单片机最小系统 (6)
2.2.2惠斯通电桥及其测量原理 (7)
2.2.3放大器AD620 (8)
2.2.4 STM32F103的ADC (9)
2.2.5液晶显示器1602 (11)
3 系统软件的设计与分析 (13)
3.1工作流程 (13)
3.2 A/D初始化程序 (14)
4 测试与实物 (16)
4.1 硬件的测试 (16)
4.2 遇到的问题 (16)
4.3 实物的展示 (16)
5结论 (17)
致谢 (18)
参考文献 (19)
附录 (20)
1 绪论
1.1 选题来源
在科研和实际生活中，常常会碰到电阻测量的场合。

而我们以往用的都是采用相对落后的伏安法来测量的。

这种老的测量需要同时测电压和电流两个数值，所以说误差相对来说比较大。

众所周知，在当今社会生产和科技高度发达的今天，智能仪器和测试设备系统的发展是迅速的，在不同的领域都进行了测量。

仪表仪器的发展能够更上一层楼的原因是当代计算机技术的飞速发展，传统的检测设备就目前科技的进程来说已经不适合现在的测量方式，智能化仪器新能够代替智能化仪表的主要表现为自动测试系统和低耗智能仪表，在电路设计中，测量电阻已成为一个重要的考虑因素。

然后我通过提出了三种方案比较电阻测量仪的优缺点和相关指标。

见下文。

近年来，我国的科技水平发展迅速，其中在电阻测量方面也有着很高的严格要求。

就目前的发展趋势而言，对电阻测量仪器的精度要求也越来越高，其规格也有着较高的标准。

所以，此基础之上，提出了我的高精度电阻测量仪的研制课题。

1.2国内外现状
在我国九十年代后期时，中国航空总公司研究出最新一种电阻的测量方法，就是等电位隔离方法。

就目前内部的电阻测量仪器发展的水平来说，虽然我国的测量产业已经得到飞速的发展，但从世界的角度来看，还是相对落后的。

每每提起测量仪的落后的原因，都会有不同的看法，例如外形不够美观，可靠性不够高，精度不够高等。

事实上，以上都是一些表面现象，究其根本原因为：
(1) 在整个产品流程中，测试地位比较低。

在这方面上，所有的研究机构配置上即可管中窥豹。

(2)应用导向和现代营销模式尚未建立。

特别是国内市场的应用需求不断增加。

要想把这个过渡作为根本动力并且利用它，就要跟踪技术的飞速发展。

(3) 材料配套体系缺乏标准件。

在没有达到一定科技水平的条件下，忽略了
与稳定性的关系，仅去追求指标和精度显然是不可取的。

以上所述都是约束国内仪器发展的因素。

二十一世纪以来，我国测量仪器在研制时也重视稳定性和可靠性，市场状况也有很大的改观。

当今，测试仪行业已经跨过低谷时期，又重新回到了飞速发展的道路上，并且在近年取得了令人瞩目的进步，尤其在电阻测量仪的研制方面，正在与国际产品缩短差距，同时给外国的垄断企业造成了巨大的压力。

随着模块集成技术和虚拟技术的进步，为中国带来了时机。

从国家的电子产业的年鉴中可以知道，每年中国的电阻测量仪研制都以百分之四十的速度增长。

在这个快速增长的过程中，毫无疑问，许多测试行业的初创企业已经被创造出来，并且生产出了一批具有高可靠性和稳定性的产品。

1.3研究目的及其意义
当今，随着国家经济的迅速增长，电子行业也取得了惊人的进步，尤其是电子元器件的需求增加速度。

在现实生活中，只要涉及到电路的地方，必有电阻的参与，也需测量其大小。

因此，高速、高性能、高精度的电阻测量仪器具有很强的实用性。

在大多数情况下，测量的参数被转换成直流电压或频率来测量电路的参数。

一种电阻测量是基于产生恒流源的方法，另一种是电桥接法。

前者电路相对简单，速度较快，但精度不高；后者测量的速度较慢，但进度较高。

由于电阻测量的方法有很多，并具有相对复杂性，y因此我的毕设题是高精度电阻测量仪的研制。

采用STM32，实现将模拟电压信号转换数字信号，通过STM32处理后，在LED1602上显示被测量电阻的电阻值。

2系统硬件设计与选择
2.1系统的总体设计
2.1.1设计方案选择
(1) 采用计算频率来计算对应的阻值，通过RC电路来计算，特点是测量度广，缺点是易受影响，精度不够高，而且误差较大。

(2) 采用分压法测量电压值，用电压比来计算R，电路稳定，外部影响小，测量精度和测量范围宽，另一优点使仪表自动化，而且设计时间很快，不需要多少成本，可靠性良好，能够很好的测量出电阻。

(3) 惠斯通电桥又是单臂电桥【4】，R1为工作应变片，其他桥臂为固定电阻，当R1的阻值随着被测量变化而产生电阻变化ΔR1时，输出电压会产生相应的变化。

如图2-1所示，电阻四个臂（R1,R2,R3,R4），检查分枝的电流是否随电流计的变化而改变。

当电流计G没有通过时，桥是平衡的。

当平衡时，四臂的阻力就能形成一种简单而稳定的关系。

我们通过这种关系就可以测量电阻。

图2-1 惠斯通电桥原理图
综上所述，系统将采用方案三，更为精确可靠，也是我本次索要设计的。

2.1.2 设计要求
通常电阻测量需要在准确度，分辨率，测量范围上同时达到最优化，但是这三种有很大的区别，很难实现。

本文提出的电阻测量电路回避了老的方法，由12V恒定电源供电。

电路包含惠更斯电桥电路、AD620放大电路、STM32及内部的ADC电路和显示器电路。

2.1.3方案设计图
该整体由STM32单片机核心控制模块【1】、AD620放大模块、A/D转换模块、惠斯通电桥及液晶显示器模块五个主模构成。

然后，再由这些模块制作成一个高精度电阻测量仪。

通电后若不加被测电阻，则液晶显示器数值为零；若加被侧电阻（0.1-99欧姆），则显示器会显示其电阻值；若被测量的电阻值超出了测量范围，则无法测量。

关闭电源后，数据会自动清零。

整体设计框图构成如图2-2所示。

2.1.4核心控制单元
选用STM32F103C8T6【3】单片机作为核心控制模块控制电阻值在显示器LCD1602上显示。

STM32F103C8T6是基于ARM内核架构(M STM32系列32位微控制器、程序内存容量是64 KB,需要2 V 3.6 V电压,操作温度是40°C到85°C是由半导体公司推出小,其主要特点是利用高密度非易失存储器制造技术,多功能的8位CPU 和闪存在单一芯片,应用电可擦写功能,使开发和测试更容易,和内部集成基于32位ARM核心单片机,64 k字节的闪存,USB,可以,2 7计时器,ADC,九个通信接口。

它的内部图2-3所示，实际的实物图如图2-4所示。

STM32 F103C8T6的主要特点如下:
1.增强高性能ARM cortex-m332-bit RISC核心，工作频率为72 MHZ。

2.内部自带高速的存储器(最高可达128 k字节的闪存和20字节的SRAM)。

3.丰富的I/O端口和外围设备连接到两个总线APB，最大的输入/输出PWM 脉冲计数或通道, 16位字段和制动电动机控制PWM控制、拥有高水平控制定时器。

4.RC振荡器用4-16MHZ和RC振荡器校准40KHZ，在工厂校准8MHZ振荡器。

5.可以通过J-LINK单总线调试（SWD）和JTAG接口下载程序，快速便捷方便调试。

6.内部有64K字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。

7.具有低功耗高性能的特点。

图2-3内部电路图
图2-4 STM32F103C8T6实物图
2.2各部分系统设计
2.2.1 STM32单片机最小系统
单片机构成最小系统是由简单的晶振器、复位电路、以及电源接口和程序烧制入口四个部分构建成的一种较为简易的优化系统。

具有简单明了、通俗易懂、结构简单等特点。

其工作电压范围3.3V~5.5V，电压较宽；工作频率高达72MHz；含有32个通用的I/O口；采用PDIP封装，工作温度为-40°C ~ 85°C，实用性比较强。

其功耗较低，具有掉电恢复功能。

如图2.4所示为单片机的最小系统。

最小系统包含MCU主控芯片的封装图；由USB口供电的电源稳压电路，电源滤波稳压电路；三种工作模式的BOOT选择插槽；用于调试烧写仿真程序的单总线调试（SWD）接口电路【12】；用于复位的复位电路；最后还有扩展接口，由一些复用的I/O口组成，如图2-5所示的仿真电路【14】。

图2-5 仿真电路
2.2.2惠斯通电桥及其测量原理
图2-6单臂电桥
如图2-6电阻变量的测量电桥，结构清晰易懂，灵敏度高，有很大限度的测量范围，有很好的线形度，精度高等优点，这些优点能够达到测量的要求，是目前运用最多的一种测量电路。

上图所示是一种通过直流供电的平衡电桥【4】。

电桥顶点（A,B,C,D）
（R1,R2,R3,R4）四个电阻构建四个电桥桥臂（这四个电阻其中一个可以是应变片又称为热敏电阻），AC作为输入口需要接上直流电源然后BD两端作为电桥输出口去输出。

如果输出端BD接上无穷大负载电阻（实际上只需要大于一定数值）时，这时输出端开路，而直流电桥就可以认为是电压桥了。

ABC作为半个桥可以看出流向R1的电流
R1两端压降：R3两端压降：电桥输出电压：
AC
1
12
U
I
R R
=
+
1
AB11AC
12
R
U I R U
R R
==
+
3
AD AC
34
R
U U
R R
=
+
1423
R R R R
-
如果R 1R 4=R 2R 3，这时电桥居于平衡，电桥电压为零,而上式正好可以看出。

当平衡状态的电桥各桥臂的电阻增量是（ΔR 1，ΔR 2，ΔR 3，ΔR4），这时输出电压可以通过下式得出：
（精确公式）
把R 1R 4=R 2R 3这一平衡条件条件代入，得出的电压输出位：
(近似公式）
本设计的益处： (1)通过STM32模块实现快、准测量阻值，由12V 恒定电源供电，目前的情况已经为人所知。

(2)模拟量由STM32单片机内部的模数转换，测量被测电阻上的电压变化。

(3)LCD1602显示器部分能够马上知道电阻上的阻值，进而知道电阻值。

2.2.3放大器AD620
AD620调制器和解调器被定义为一个高精度的平衡，通常在流动结构中使用，它具有灵活性，并且在激光薄片薄膜电阻器之后，考虑其精度和温度稳定性。

精密闭环增益精度为0.05%。

该电阻用于精确配置多路复用器(1,2,3,4)。

外部功能反馈可提高反馈回路的增益和闭合的拓扑结构，如图2-7所示。

AD620可以被看作是一个复杂的运算放大器，它集成了两个独立的差分输入水平和一个精确的比较器，可以用来选择活动前端。

比较电路能够很快做出相关对应的响应和线性放大器的快速创建时间，这样就能够很大限度地降低电动门的失真。

AD620主要在高精密信息的处理和仪器应用方面，并且需要可变化信号最大值和最小值的比值。

当AD620用在固定的锁定放大器的同时间解调器时，它的噪声大小能够在100分贝的大噪声中快速恢复到几分贝或者十几分贝的小噪
114422330AC 11223344(R R )(R R )(R R )(R R )U U (R R R R )(R R R R )
+∆+∆-+∆+∆=+∆++∆+∆++∆3121240AC
2121234
R R R R R R U U ()(R R )R R R R ∆∆∆∆=--++
声。

(具体的请参考锁定放大器的应用)。

虽然电路的最大工作频率最高可达
1KHZ，但它在数百赫兹的频率中也很有用。

AD620有可以获得频率补偿，并可以选择输入补偿电流的电阻和差动偏置电压调整等优点。

产品优点：
(1) AD620灵活性使用决定了它可以非常契合高精度固定放大、闭合放大和多重复用的优势。

(2) AD620广泛的动态范围比大多数混合和均衡器都要广。

它能够和造价不菲信息处理器的范围相比拟。

(3) AD620的内部设计的运算放大器容易实现可变化信号最大值和最小值的比值和丰富闭合反馈功能。

在实际中不需要加其他的外部硬件就可以实现电阻的应用。

(4) AD620的放大倍数为四路的多路复用，每个通道的隔离间距在10 kHz 时封装的IC就能够达到的限值。

在很多的情况下，将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路，这个电路在外部就可以实现零点的校准。

图2-7 AD620内部电路
2.2.4 STM32F103的ADC
(1) 基本概念: ADC是将通信中的模拟信息量转化为数字信息量，将STM32
转换为数字量。

转化结束后，周期就为通道的读取时间。

寄存器是通过采样的具体时间来传达信息以实现STM32样本模拟量，周期时间设置的越长时，结果就越可靠。

(2) STM32F103 ADC【3】集成模块的IO端口与内部的各个通道相对应，如表1-1所示。

(其18个通道有多大，可测量16个内外源。

)
表1-1ADC解析图
(3) 单通道和多通道
STM32F103的ADC通道分为单通道（规则组）和多通道（注入组）。

ADC 功能核心模块唯一作用是ADC转化的模块，该模块可以提供很多注入组进行转换数据，使用的方法称为分时复用。

分通道的目的是保证ADC通道优先权。

例如，与单通道（规则组）匹配的是ADCx_IN2，而与ADCx_IN3匹配的是多通道（注入组），数据的转化过程是在IN2通道中进行的，外界的激励会触发转换到IN3通道的，最终会导致IN2的转换会被ADC功能核心暂停，进而会转去执行IN3的转换，在转化完成后会自动的运行IN2的转换。

通过以上可以知到，
多通道具有绝对的优先转换权，只要多通道需要执行就可以打断单通道正在进行的转换。

(4) 单片机STM32内部模数转换器（ADC）通道采样的时间
单片机模块内部的ADC所使用的输入电压是ADC_CLK采样循环的，而SMP[2:0]位置是由模数转换器的SMPR1与ADC_SMPR2寄存器来控制其采样的周期。

并且不同的采样周期可以适应在任意一个通道。

STM32 AD切换通道时，不需要关闭ADC。

2.2.5液晶显示器1602
LCD1602【15】是一种工业文字型液晶，同时显示16×02或32个字。

LCD16022液晶显示原理利用液晶的物理特性，通过从电压控制该显示区域来显示电流，所以可以显示图形。

1602芯片:各个引脚如图2-8所示。

图2-8 引脚图
引脚号引脚名电平输入/输出作用
2-9 1602引脚图介绍
1602型LCD显示的模块有体积较小,功耗比较低,显示内容较丰富等优点。

单片机STM32在具体的人应用中所使用的显示器主要包括LED和液晶显示器。

液晶显示(LCD)在处理之后改变光传输方向，以显示文字和图形的目的构成。

小型、轻量、耗电低、显示内容丰富等特征。

被广泛用于系统。

本设计采用LCD1602作为监视器。

3 系统软件的设计与分析
3.1工作流程
开始时，给整个系统加上5V的电后将系统的数据进行初始化。

此时因在未加被测电阻，电桥处于平衡状态，也无电压变化，液晶显示器上的数值为零。

当加上在一定范围内的电阻，电桥平衡会被打破，电桥端的电压会有变化，经放大器AD630将微小的电压值进行放大，在经过模数转化器将模拟电压信号转换为数字信号，通过STM32量化后在1602上显示电阻值。

经以上的系统分析，得到如下的流程框图，如下框图2-9所示
图2-9 流程图
3.2 A/D初始化程序
STM32内部ADC端口初始化。

下面是相关的程序。

端口初始化
#include "adc.h"
extern void delay_ms(u16 time);
void Adc1_Init(void)
{ ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA
|RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE ); //使能通道时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 , ENABLE );
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
ADC_DeInit(ADC1); //复位ADC
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//ADC1工作模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //单通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //单次转换模式ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
//转换由软件启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //数据右对齐ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //初始化外设ADC
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while(1) //等结束
{if(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)==0)
break;}
ADC_StartCalibration(ADC1);
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准结束}
//获得ADC值
//ch:通道值0~3
u16 Get_Adc1_value(u8 ch)
{ ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束
return;
4 测试与实物
4.1 硬件的测试
经过这段时间的奋斗以及老师和同学的帮助，实物基本已经制作完成。

现在进行各模块的测试，按照电源模块、AD630放大模块、ADC模块、显示模块分模块按顺序进行。

各个模块测试无问题则实物制作成功，否则针对问题模块进行问题的排查并最终完成整个测试。

第一步：电源模块
电源是整个模块的根基，唯有电源模块完好才能保证整个系统的正常运行。

通电瞬间查看显示屏和32单片机是否被点亮并显示。

被点亮则说明电源模块完好，电源模块测试完毕。

否则检查问题出处并解决后再次测试。

第二步：显示模块
系统上电以后等待显示稳定后检查显示是否按第一行显示日期，第二行显示实时时间，第三行显示定时时间。

显示正常则显示模块完好，若为非正常显示则进行判断，找出问题并解决。

最后总体在进行检测一遍，确认功能完整。

实物制作成功。

4.2 遇到的问题
在硬件制作时也出现了许多的问题，主要的硬件问题是焊接时容易焊错而导致要重焊以及虚焊等问题而导致整个系统在运行时不能正常运行，最后通过分模块测试找到了问题的源头并成功解决了。

软件遇到的问题是由于制作原理图的软件由于学习后没有经常操做而导致制作原理图时不是很熟练，通过自己不断的练习摸索最终完成了原理图的制作。

4.3 实物的展示
在指导老师的悉心指导下，经过几个月的奋斗，克服了遇到的各种难题。

并在指导老师的指导与帮助下最终完成了实物的制作并实现了基本的功能。

现将实物图展示如下，实物图正面见附录，实物图背面焊接图件附录。

5结论
此次使用单片机设计其实是一个软硬件联合的设计。

该测量仪最终通过32单片机、放大器、AD转换以及液晶显示器等组成的系统实现实物帮助人们知道电阻的具体阻值。

并且将该设计设计成高精度测量仪，从而起到对搭建电路所需电阻的范围，防止电路损坏。

其次，是基于单片机高精度电阻测量仪的系统正合适此次设计的方向。

在设计中STM32是主控核心，电桥电路部分主要是来反应电路电压变化的，设计时因为电阻测量范围的要求，本人把放大器的放大倍数设计为17.4倍，设计并搭建电路造出达到设计要求的电阻测量仪，不仅让各个模块之间充分连接，而且使测量仪的外形更加美观。

在当今生活中，我们要设计实用性高的电阻测量仪，就要把仪器的硬件部分和软件部分做合适校改，来达到把它投入到生产中去。

本着经济原则，该测量仪要保持不仅易操作而且要成本控制非常小。

在本设计所叙的设计构思下制做的电阻测量仪器。

虽然在设计之前就在网上了解了很多的相关知识，而且在王老师的指导下更进一步的熟悉设计，但太多相关的知识杂糅在一起和有限的设备等因素，不可能完全达到预想的设计要求,在老师的细心指导下改正一些功能后，达到了最初的要求。

当使用PROTEL绘制硬件电路时，需要有一个合理的布局，使整个线路图看起来简单美观。

此次单片机设计是硬件和软件的结合。

但是设计的想法是，软件可以尽可能地实现，这很容易修改，并且可以用于以后的扩展。

致谢
首先，我要感谢我的导师xxx。

在我的工作和学习中，他不名一格的风格一直是我的榜样，给起到了风向标的作用。

他特有的教导和独到的育人思想给了我源源不断的灵感，同时我感觉很快就会感到设计的魔力，并且能够很快的融入到设计中去。

毕业设计持续了五个月，这是我大学期间最长的一段时间，涉及的内容最广泛，工作量也是最大的。

从老师的一句话总结出毕业设计，只要把握每一小节的本质，通过加强逻辑设计就可以解决问题。

我的设计是做一个测量仪，虽然老师说我的毕业设计看起来并不是跟困难，但当我真正开始的时候感觉是真的很难。

俗话说的好，“欲善其事，先利其器”，每次我有不明白的问题时，我就把它写在纸上，然后面对面地向老师请教，老师非常耐心而细心的指导并且帮我解惑。

然而有时即使是非常简单的问题，王老师也会认真而严谨的解答。

从一开始的论文课题的选择到最后的终稿，老师一直在勉励和引导着我们到最后。

不知多少个日夜，老师在论文上指导了我很多，同时对我写论文时有时候的烦躁进行了疏导，有时候对时间的不便我给予了一定程度上的照顾。

对于老师高超的专业水平和对学术的研究的精神我除了尊敬以外，更多的使给我树立了一个好的楷模。

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