小电阻测量系统

山东理工大学 毕业设计（论文）

题 目：小电阻精确测量系统设计 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 丰坤 指导教师： 宋德杰

毕业设计（论文）时间：二〇一〇年三月一日～六月二十日 共十六周

摘 要

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的情况，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，扬声器连接线的电阻，过电流保护电路中的检测电阻等。所以测量这些小电阻是电子测量中的一个常见课题。

由于小电阻数值较小，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MSP430F149单片机作为控制核心，利用单片机的优势设计了该测量系统。该测量系统可直接从LED数码管上读出所测得的电阻值，测量范围从几mΩ到1Ω之间，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±0.05%，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。

关键词: 四端测量法，小电阻，恒流源，MSP430系列单片机

Abstract

In the circuit the testing process often encountered little resistance as the impact of neglect caused by some experimental data with large error between the theoretical value, and thereby affect the testing results. For example, inductors, transformers, there is often copper resistance, the resistance of the MTR tracks, the speaker cable's resistance, over-current protection circuit in the detection of resistance and so on. Therefore, measuring the small resistance is a common electronic measurement topic. As the low resistance value smaller pointer multimeter to measure the general out; usually will power the laboratory to measure the bridge, but bridge over trouble operating procedures, can not directly read the measured resistances. In view of this, we use a MSP430F149 microcontroll

er as the control, using of the advantages of single chip design of the measurement system. The measuring system can control directly from the LED digital read out the measured resistance value, measuring range from a few mΩ between1Ω, while the test data can be stored, and then into the PC via serial port, through the PC's power, can be measured by the analysis of the data, processing. The tester's measurement accuracy up to ± 0.05%, and the use of four-terminal measurement, the resistance from lead length and contact resistance. Measured not only simple, intuitive readings, and measurement accuracy, resolution is also higher than the bridge. It can be used in laboratories, research institutes, especially suitable for the work site.

Keywords: Four-terminal measurement，Little resistance; MSP430 MCU，Constant current source

引 言 1.1 前述

小电阻在各种电器设备中随处可见，像电力电缆、通讯电缆、断路器、继电器、电机和变压器等设备的接触电阻，通常为毫欧姆数量级。这些电阻阻值较小，本身就不易测量，另外，温度的变化也会影响电阻的阻值，当测量时间过长、电源供电太久都有可能造成所测的电阻值随着温度的增加而偏高，这些情况在实际应用中都有可能造成很大的偏差，从而影响实验结果。所以微小电阻的测量是电子测量中的一个常见课题，有时具有十分重要的意义。在本设计中采用四端测量法有效地减少了测试线引线电阻和接触电阻的影响，同时采用高精度、低噪声的测量放大器和自带12位模数转换器的单片机系统，有效地减少了测量误差，提高了测量精度。

1.2小电阻测量技术的发展

近年来国内外多依靠使用超高精度、超高速的精密恒流源和精密放大器来提高改善测量系统的功能。小电阻测量技术的发展状况如下：

日本学者Isao Minowa提出用超导量子器件测量微小电阻，H. Aichi提出利用电解槽法测量微小电阻，波兰学者Jerzy Kaczmarek提出用三次谐波法测量微小电阻。这些方法一般是在实验室条件下进行研究所采用的方法。

在实际工程应用中，比较传统的方法是采用直流双臂电桥法来测量回路的电阻。但是，当采用双臂电桥进行导电回路的电阻的测量时，由于双臂电桥回路通过的是只有几个安培的微弱电流，对设备要求很高。而在大电流或正常电流通过时，会使过渡发热而产生温升。对此，GB763-90, DL405-91等标准规定：测试采用直流电压降法时，通入的电流应尽量大些。 小电阻智能化测试仪近些年发展比较快。国内己有许多家公司开发出各类产品。例如一些公司生产的微欧仪，要求具有较大的电流恒流源。采用高频开关电源和大电流变压器实现大电流的恒流效果。但这些测试仪测试电流较大，测试时间长，因此对被测电阻有温升的影响，降低测

量的精度。而且这些测量仪器一般体积和重量都较大，现场携带不方便，其成本也相对较高。 河北工业大学的李奎等人提出了脉冲电流（矩形脉冲，宽度为300us，幅值可达100A）测量微小电阻的原理，采用了较大脉冲电流测量微小电阻，提高了测量精度。河北工大电器研究所的刘帼巾等人也提出了采用脉冲大电流测量微小电阻，使用的也是方波脉冲，并且同时

提出该方法只是针对测体为无感性和无容性的纯电阻元件。 通过对回路微小电阻理论和测试方法的分析和研究，总结出微小电阻测试仪发展的趋势有如下三点：(1)微型化，即体积和重量都很小，以便于携带。(2)精确化、稳定化，由于接触电阻很小，因此测量的精度和稳定度显得尤为重要。(3)智能化，测量范围可选择、电流和测试电阻可用LED显示、可与计算机接口。

第一章 方案的分析与论证

通常我们所涉及的微小电阻主要为接线电阻和接触电阻。所谓接触电阻是指两个接触元件在接触部位产生的电阻。影响接触电阻的主要因素有两个方面：膜电阻和收缩电阻，而膜电阻和收缩电阻又分别受材料内部温度、材料的电阻率、材料的弹塑形性能、表面化学性能及接触压力等诸多因素的影响。我们可用细纱布仔细打磨材料到出现光泽且随后立即测量，所以对于影响膜电阻的诸多因素我们不予考虑，也就是认为在打磨后，表面膜将彻底被破坏，从而使膜电阻的影响为零。但不管接触表面如何光滑，从微观上看总是凹凸不平的。因此，当两个元件接触时，实际的接触面积要比理论接触面积小，当有电流由一个元件流向另一个元件时，在接触点或接触面处，电流都将受到约束，产生障碍。我们发现，接触电阻的影响是客观存在的，特别是在精密测量中影响很大。通过理论分析与实验验证知道接触压力是影响接触电阻的最重要因素，所以我们完全可以采取一定的措施减小它的影响。

在传统的电阻测量方法中，双臂电桥法是比较经典的一种。直流双臂电桥又称凯尔文电桥，主要用于测量低值电阻。由于电源回路使用的一些电阻和待测电阻的阻值比较小，电路容易发热，会使电路中电阻值增大，造成测量值变化不定。因此，在实际测量低阻时，需要尽量缩短实验操作的时间。双臂电桥法测电阻的特点是能消除接线电阻及接触电阻所造成的误差，大大减小接触电阻的影响，提高了测量的精度。但由于测量回路通过的是只有几个安培的微弱电流，难以消除电阻较大的氧化膜，测出的电阻值偏大。

由于本系统要实现对毫欧级的小电阻的测量，同时精度要达到0.05%，能够消除引线对测量数值的影响，所以在设计本系统时必须要有以下四个关键技术：精密恒流源、高性能测量放大器、高精度 A/ D 转换器和四端测量法。

A/D转换器的位数决定了电压的分辨率。MSP430F149单片机自带ADC12器件，该器件可将模拟信号转化为12位的数字信号，精度可达到万分之一，采样速度完全能够满足采样转换的要求，同时省去元件的数目并降低系统成本，简单好用，这也是选择该款单片机的原因之一。该ADC12提供四种转换模式：单通道单次转换，序列通道单次转换，单通道多次转换，序列通道多次转换。

考虑到系统只有一路采集，故本系统采用单通道单次转换，即程序每次对An通道进行单次转换，A/D转换结束后产生中断处理，将数据保存后开始新一轮转换。 要消除引线对测量数值的影响，可采用四端测量法。所谓的四端测量法是将恒流源电流流入被测电阻Rx的两根电流线和电压测量端的两根电压线分离开，使得电压测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压

如图1-1，a、b之间为被测电阻的实际值，c1、c2为电流端，p1、p2为电压端，采用了这种四端接线法可以有效的消除接触电阻与连线电阻的影响，由于电压测量端与恒流源端断开，恒流源与被测电阻Rx、馈线c1、c2 构成一个回路。送至电压测量端的电压只有Rx两端的电压，馈线c1、c2 电压没有送至电压测量端。因此，馈线电阻R1 和R2 对测量结果没有影响。馈线电阻Ra 和Rb 对测量有影响，但影响很小，由于测试回路的输入阻抗（MΩ级）远大于馈线电阻（Ω级），所以四端测量法测量小电阻的准确度很高。

第二章 硬件电路的设计 2.1 总体设计

本系统以TI公司生产的MSP430F149单片机为控制核心．在被测电阻Rx上通过已知恒定电流，取出被测电阻上的压降，经放大器放大转换为0V～3V 的直流电压，然后送入单片机自带的ADC12进行A/D转换，经单片机后通过LED数码管显示被测电阻阻值。该系统通过串口可与PC机通信，借助PC机强大的数据处理能力对其所测得的数据进行处理，完成所得数据的分析功能。

本次设计从电阻的精确测量和智能化着手，符合未来发展趋势。设计的硬件电路包括电源模块、恒流源模块、电压放大模块、单片机模块、LED显示模块、键盘输入模块、存储模块以及上位机串行通信模块等。

下图即为系统的组成原理框图。

2.2单元电路的设计

2.2.1 电压源

本系统所用直流电由三种集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。由于在系统中恒流源需要12V电压供电，MAX495需要5V电压供电，MSP430系列单片机需采用3.3V供电，考虑到硬件系统对电源要求具有稳压、低功耗和纹

波小等特点，因此该硬件系统的电源电压分别采用三端稳压集成电路7812、7805以及TI公司出产的TPS76033芯片来实现。15V的交流电在整流之后采用了大容量的电解电容C6、C7、C8进行滤波，以减小输出电压纹波。但由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能抑制，因此在整流电路后面加入高频电容C1、C3、C4可以进一步改善纹波，抑制瞬态噪声干扰。这些电容应该选用频率特性好的陶瓷电容，通过电容滤波可以提高稳压器的稳定性。

由于该三种芯片能很好的满足该硬件系统的要求，另外该类芯片具有很小的封装，因此能有效节约PCB板的面积。为了使输出电源纹波小，在输出部分用了一个4.7uF的电容，另外在芯片的输入端也放置一个0.1uF的滤波电容，减小输入端受到的干扰。

用78xx系列三端稳压器来组成稳压电源稳压精度高、所需的外围元件极少、体积小、重量轻，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格比较便宜，一般采用TO- 220的标准封装，其外形如下图：

TPS76033是一种低功耗、低压降的稳压器，具有热保护功能，关闭状态静态电流仅为1μA。其引脚图如下：

如图2-5，该图所示的为采用LM317构成的输出电流为1A的恒流源，其中电阻Rm可以设定，在此假设Rm取1.25欧。因为LM317稳定的基准电压（即引脚ADJ、Vout之间的电压）为1.25V，故在Rm上会产生1A电流，这个电流全部流过负载，所以可认为流过负载的是1A的恒定电流。输入电容C23用于抑制纹波电压，由于这种集成稳压器有很好的电压调整率，负载上电压的变化，由LM317输入输出的差值作为补偿，所以只要输入电压足够高，即使负载变化较大，也能提供理想的恒定电流。

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块，它的输出电流范围为10mA到1.5A，具有输出电压可变、输出波纹小、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。它有3个输出端，即电压输入端、电压输出端和调节端，没有公共接

地端

2.2.3信号放大

信号放大器通常是采用测量放大器，对于高精度弱信号的检测，一般用二级放大器：第一级采用测量放大器，以提高输入通道的共模抑制比；第二级为运算放大器，以将第一级的输出信号放大至满足A/D转换所要求的输入电压变换范围。

同样，要实现对微小电阻的测量，则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，为此我们设计了如下图信号处理电路所示的差动放大器。此放大器由运放A2、A3组成第一级差分式电路，A4组成第二级差分式电路，R8、R9、RW2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A2、A3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A4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；A5是电压反向跟随器，其作用是使前后级隔离。

分析此电路可得到下列方程

从上式知输出电压U4与被测电阻Rx成正比。放大器的倍数由R8、R9、RW2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1000倍，被测电阻正常时为几毫欧。例如当取测试范围为2m?时，流过的电流为1A，对应压降为2mv，取信号放大电路放大1000倍后，在U4端得到2V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A2、A3、A4选用了高精度、低噪声、低漂移的MAX495（单电源运算放大器，工作电源范围是+2.7V~6.0V）。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I输入从接地端输出，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。 2.2.4 单片机

单片机作为整个系统的核心控制部分，主要是完成与其他电路的接口，在该系统中，单片机主要负责对模拟量进行采集，将采集得到的数据通过串口传给上位机，并通过LED数码管显示处理后得到的数据。

本系统使用的是MSP430F149单片机，具有如下特点： ? 具有很低的供电电源，其供电电压的范围是：1.8V~3.6V。

超低的功耗，这是目前其他单片机没有的特色。它在休眠条件下工作的

? 快速的唤醒时间。从休眠方式唤醒只需要6us。

? 快速的指令执行时间。它采用的是16位的RISC结构，指令的执行时间 只需要150nS，是传统单片机不能比拟的。

? 具有灵活的时钟设置。主要有以下几种方式：32kHz的晶体方式、高频

率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。 ? 两通道串行通讯接口，可用于异步或同步模式。

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

MSP430F149共有以下端口，分别为P1、P2、P3、P4、P5、P6 S和COM，

它们都可以直接用于输入/输出。MSP430系统中没有专门的输入/输出指令，输入/输出操作通过传送指令来实现。这些端口的每一位都可以独立用于输入/输出，即具有位寻址功能。由于MSP430的端口只有数据口，没有状态口或控制口，在实际应用中，如在查询式输入/

输出传送时，可以用端口的某一位或者几位来传送状态信息，通过查询对应位的状态来确定外设是否处于“准备好”状态。其中各个端口的功能分别为：（1）P1、P2端口：I/O，中断功能，其他片内外设功能如定时器、比较器；（2）P3、P4、P5、P6端口：I/O，其他片内外设功能如SPI、UART模式，A/D转换等；（3）S、COM端口：I/O，驱动液晶。

MSP430各端口具有丰富的控制寄存器供用户实现相应的操作。其中P1、P2具有7个寄存器，P3~P6具有4个寄存器。通过设置寄存器我们可以实现： （1）每个I/O位独立编程； （2）任意组合输入、输出和中断；

（3）P1、P2所有8个位全部可以用作外部中断处理； （4）可以使用所以指令对寄存器操作；

（5）可以按字节输入、输出，也可按位进行操作。

端口P1、P2的功能可以通过它们的7个控制寄存器来实现。这里，Px代表P1或P2。 （1）PxDIR：输入/输出方向寄存器。8位相互独立，可以分别定义8个引脚的输入/输出方向。8位再PUC后都被复位。使用输入/输出功能时，应该先定义端口的方向。作为输入时只能读，作为输出时，可读可写。

（2）PXIN：输入寄存器，为只读寄存器。用户不能对它进行写入，只能通过读取其寄存器的内容来知道I/O口的输入信号。所以其引脚的方向要选为输入。如再键盘键盘扫描程序中经常要读取行线或者列线的端口寄存器值来判断案件情况。

（3）PXOUT：输出寄存器。该寄存器为I/O端口的输出缓冲寄存器，再读取时输出缓存的内容与引脚方向定义无关。改变方向寄存器的内容，输出缓存的内容不受影响。

（4）PXIFG：中断标志寄存器。它的8个标志位标志相应引脚是否有中断请求有待处理。另外，外部中断事件的时间必须保持不低于1.5倍的MCLK时间，以保证中断请求被接受，且使相应中断标志位置位。

（5）PXIES：中断触发沿选择寄存器。如果允许PX口的某个引脚中断，还需定义该引脚的中断触发方式。

（6）PXIE：中断使能寄存器。PX口的每一个引脚都有一位用以控制该引脚是否允许中断。0：禁止中断，1：允许中断。

（7）PXSEL：功能选择寄存器。P1、P2两端口还具有其他片内外设功能，将这些功能与芯片外的联系通过复用P1、P2引脚的方式来实现。PXSEL用来选择引脚的I/O端口功能与外围模块功能。

端口P3、P4、P5、P6没有中断能力，其余功能同PI、P2。除掉端口P1、P2与中断相关的3个寄存器，端口P3、P4、P5、P6的4个寄存器（用法同P1、P2）分别为PXDIR、PXIN、PXOUT、PXSEL可供用户使用。

的内容不受影响。

（4）PXIFG：中断标志寄存器。它的8个标志位标志相应引脚是否有中断请求有待处理。另外，外部中断事件的时间必须保持不低于1.5倍的MCLK时间，以保证中断请求被接受，且使相应中断标志位置位。

（5）PXIES：中断触发沿选择寄存器。如果允许PX口的某个引脚中断，还需定义该引脚的中断触发方式。

（6）PXIE：中断使能寄存器。PX口的每一个引脚都有一位用以控制该引脚是否允许中断。0：禁止中断，1：允许中断。

（7）PXSEL：功能选择寄存器。P1、P2两端口还具有其他片内外设功能，将这些功能与芯片外的联系通过复用P1、P2引脚的方式来实现。PXSEL用来选择引脚的I/O端口功能与外围模块功能。

端口P3、P4、P5、P6没有中断能力，其余功能同PI、P2。除掉端口P1、P2与中断相关的3个寄存器，端口P3、P4、P5、P6的4个寄存器（用法同P1、P2）分别为PXDIR、PXIN、PXOUT、PXSEL可供用户使用。

端口COM和S，它们实现与液晶片的直接接口。COM为液晶片的公共端，S为液晶片的段码端。液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端口

因为本系统中要用到ADC12模块，所以在此就其作一些简单的介绍。ADC12是12位精度的A/D转换模块，带有采样保持功能，它主要有以下特点： ? 采样速度快，最多可以达到200kbps。

? 转换开始可以由软件定时器A和定时器B实现。

? 片内参考电压的产生可以由软件编程选择，也可以软件选择内部参考还 是外部参考。

? 具有可以随便转换的时钟源。

? 具有单通道单次转换、单通道多次转换、序列通道单次转换和序列通道 多次转换4种转换方式。

具有16位的转换结果存储寄存器。

如图2-8可见，单片机的接口电路非常简单，分别采用单片机的一般I/O口实现与其他电路的连接。在单片机的时钟设计上与其他单片机有一定的区别，MSP430F149单片机采用两个时钟输入，一个32KHZ的时钟信号，一个8MHZ的时钟信号。该系统的时钟部分都是采用晶体振荡器实现的。考虑到电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管脚增加一个0.1uF

的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。另外单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要考虑干扰的问题，在该系统中的干扰较小，因此模拟地和数字地共地，模拟电源输入端增加一个滤波电容以减小干扰。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。

如图2-9所示，LED为共阴极数码管，P4.0~P4.7既为LED的段选线，又为LED的位选线，通过SNJ74AHC373J锁存器与P5.1、P5.2的选择来实现。其工作方式为：当P5.1高电平时，P4.0~P4.7为LED的a、f、b、g、c、h、d、e的段选线；当P5.0为高电平时，P4.0~P4.7为LED的位选线，依次对应D4、D3、D2、D1、D0。

因为MSP430F149是一款低功耗的单片机，其IO端口的驱动能力十分有限，所有在数码管的段选信号、位选信号与MCU之间增加了两片SNJ74AHC373J锁存器，用作缓冲驱动，这样既可以正常驱动数码管又可以保护MCU的IO端口不会因为电流过大而损毁。

由上图可以看出，通过一个上拉电阻将SHDN管脚拉高，使该芯片一直处于工作状态，如果系统需要处于低功耗状态，也可以通过单片机来控制该管脚。在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-分别放置0.1uF的电容实现充电作用，满足相应的充电泵的要求。管脚T1OUT、TIN、RIOUT和RIN分别是232转换的输入输出脚，实现单片机的TTL电平与上位机接口电平的转换。为减小电源和输入端的干扰，还需要在复位芯片的电源输入腿加一个0.1uF的电容实现滤波。

本系统实现串口模块主要是与上位机的通信，单片机将采集到的数据送到上位机进行处理，从而减轻单片机系统的处理负担。由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同，因此需要进行接口转换，这里采用SP3220芯片来完成该电平的转换。MSP430F149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，实现串口通信相当容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来，再通过一个RS232接口 芯片SP3220与PC机通讯。串口通信

采用中断机制，发送数据和接收数据都采用中断方式。

这里采用SP3220芯片来完成该电平的转换，SP3220芯片具有以下特点： ◆功耗低、封装小

◆宽电压供电。供电电压为：3.0V~5.5V。 ◆上传速率可以高达235Kb/s。 ◆增强性ESD规范。

上图2-12是DB9连接器的引脚定义，在此我们用到了引脚2和引脚3，其中引脚3为RXD，此引脚用于接收外部设备送来的数据；引脚2为TXD，此引脚将处理器的数据发送给外部 设备

本系统共采用三个独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，其中采集键的作用是确定开始采集并送LED显示，查询键用来查看历史记录，通信键用来开串行中断与PC通讯。 键盘扫描控制有定时查询法和中断控制法两种，因为MSP430F149单片机的P1端口有中断能力，因此在此选择使用中断方式。 2.2.8存储模块 为了在某些特殊的场合下（如通信故障时），能够成功的保存数据，应该设计相应的外部存储模块。本系统的外部存储模块采用美国ATMEL 公司生产的低功耗CMOS型E2PROM器件AT24C02，它内含256×8 位存储空间，具有工作电压宽(2.5～5.5 V)、擦写次数多(大于10000 次)、写入速度快(小于10ms)、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。它采用了I2C总线规程，使主/从机双向通信。主机通过SCL引脚产生串行时钟信号并发出控制字，控制总线数据传送的开始、方向和停止。无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须发出一个确认信号、。

AT24C02 占用很少的资源和I/O线，并且支持在线编程，数据实时存取十分方便。AT24C02与单片机的连接图如图2-14所示。

AT24C02各引脚的功能如下：

A2～A0：这3个引脚是器件地址选择引脚。将这3个引脚配置成不同的编码值，在同一串行总线上最多可扩充8片同一容量或不同容量24系列EEPROM芯片。

SCL：串行移位时钟控制端。写入时上升沿起作用，读写时下降沿起作用。 SDA：串行数据输入输出口，是一个双向引脚，容量扩展时可将多片24系列的SDA引脚相连，实际使用时该引脚必须接一个上拉电阻。

TEST：硬件写保护控制引脚。当其为低电平时，正常写操作，高电平时，对EEPROM部分存储区域提供硬件写保护功能，即对被保护区域只能读不能写。 GND：接地。

VCC：接+5V电压。 2.2.9单片机复位

在单片机系统中，单片机需要复位电路，复位电路可以采用RC复位电路 ，

也可以采用复位芯片实现的复位电路，RC复位电路具有经济性，但可靠性不高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的可靠性，该系统采用复位芯片实现的复位，该系统采用MAX809芯片。为减小输入端的干扰，还需在复位芯片的电源输入端加一个0.1uF的电容实现滤波。

MAX809是一种单一功能的微处理器复位芯片，用于监控微控制器和其他逻辑系统的电源电压，它可以在上电、掉电和节电情况下向微控制器提供复位信号。当电源电压低于预设的门槛电压时，器件会发出复位信号，直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为止。MAX809能监控5V、3.3V和3V电压，精度很高，不需要上拉电阻。MAX809有低电平有效的复位输出，并使用3管脚的SOT23封装，如下图所示：

第三章 系统软件设计 3.1软件开发平台简介

IAR的Embedded Workbench是一个适应各种不同CPU的目标系统开发的集成环境。它提供方便且功能丰富的窗口界面，使开发和调试的效率大大提高。

Embedded Workbench包含的实用工具有：具有语法表现能力的文本编辑器；编辑器；汇编器；连接器；函数库管理器；实现操作自动化的Make工具；内嵌C语言和汇编级的调试器C—SPY。

EW430是针对专门MSP430的开发平台，其功能非常强大，而且以很快的的速度更新版本，它的基本特性为：

◇代码长度和速度有多级优化； ◇支持32位和64位浮点数； ◇支持硬件乘法器；

◇内部函数支持低功耗模式； ◇支持C和汇编语言编程。 3.2程序流程图

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、A/D转换程序、数据处理程序、串行通讯程序、键盘模块程序、LED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。 3.2.1 系统主程序

系统的主程序主要完成MSP430F149单片机系统的初始化、设置系统时钟，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。其基本流程图如下：

3.2.2 A/D转换模块

该模块主要是单片机通过A/D通道采集来自外部的电压信号，将信号进行处理。MSP430F149的A/D转换有四种模式：单通道单次转换，序列通道单次转换，单通道多次转换，序列通道多次转换。考虑到系统只有一路采集，故本系统采用单通道多次转换，关于转换模块的选择主要通过设置相应的A/D转换的寄存器来实现。信号采集的时间间隔通过定时器A来完成，就是在每次定时器中断到来时读取模数转换采集到的数据，在读数据前先停止转换，在读取数据完毕后启动模数转换，如果得到数据，则设置一个标志位来通知主程序，告诉主程序已经得到新的数据。整个程序采用中断服务程序的结构完成。下面为该模块的程序流程图。

3.2.3串口通信模块

串口通信模块主要完成单片机与上位机的通信，从而将采集到的数据送到上位机进行处理。由于MSP430F149单片机具有片内的UART，因此实现串口通信相当容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来。串口通信采用中断机制，发送数据和接收数据都采用中断

方式。当接收到数据时，设置一个标志来通知主程序有数据到来，当主程序有数据要发送时，设置一个中断标

志来进入中断发送数据。串口通信模块的程序流程图如下：

3.2.4键盘模块

独立式键盘是指使用按键与单片机的I/O口直接连接的方法构成的单个按键电路。当某一按键KEYn闭合时，该端口输入低电平，释放时输入高电平。由于机械按键的弹簧片存在着轻微的弹跳现象，故闭合或释放过程都将存在一个抖动期。为了确保CPU对按键的一次闭合仅作一次处理，必须去掉抖动。键盘扫描控制有定时查询和中断控制查询，因为该单片机的P0、P1、P2等3个8位端口都有中断能力，故在此采用中断方式。该模块的流程图和经典代码如下：

#include unsigned char keybuf； unsigned char p1keyj(void) // 判键子程序 {unsigned char x;

x=(P1IN&0Xf0); // P1.5—P1.7 接有按键 return(x);；// 有按键返回非全1 }

unsigned char keycode() // 找哪个按键被按下，查键值子程序 {

unsigned char x;

if((P1IN&0xf0)= = 0x40) // 是否第一个按键 then x=1; else

if((P1IN&0xf0)= = 0x20) // 是否第二个按键

then x=2; else

if((P1IN&0xf0)= = 0x20) // 是否第三个按键 x=3; return(x); }

#pragma vector=PORT1_VECTOR

__interrupt void p1int(void) //端口1 的中断服务程序

{while(p1keyj()!=0xf0) //没有按键按下，返回全1――0xf0 {

delay(500); //延时消除抖动 while(p1keyj()!=0xf0) {

keybuf = keycode();//确信有按键按下，找到按键得出键值，送到全局变量keybuf while(p1keyj()= =0) //等待按键松开 ; //做对应键盘的事务 } }

void main()

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // 关闭看门狗 P1IES|=BIT1+BIT2+BIT3;// P1IE|=BIT1+BIT2+BIT3;// _EINT(); P5DIR|=BIT1; P5OUT&=~BIT1; While(1) {//keycode();

Swich(keycode()) {Case 0xf0:break; Case1：采集 Case2：查询 Case3：控制 } }

3.2.5.显示模块

该部分主要完成数据的现实功能，P4.0~P4.7即为LED的段选线，又为LED的位选线，通过373锁存器与P5.1、P5.2的选择来实现。其工作方式为：当P5.1 高电平时，P4.0~P4.7为LED的a、f、b、g、c、h、d、e；当P5.0为高电平时，P4.0~P4.7为LED的位选线，依次对应D4、D3、D2、D1、D0。该模块相对比较简单，其经典程序代码如下： #include {

#define LED1 0x3E; #define LED2 0x3D

#define LED3 0x3B; #define LED4 0x37; #define LED5 0x1F;

int Digit[10]={0xD7，0x14，0xCD，0x5D，0x1E，0x5B，0xDB，0x15，0xDF，0x5F}; void Delay(int m) {while(m-->0;) void Display(int x) {P4OUT=Digit[x]; P5OUT=0x02; P5OUT=0x00; P4OUT=Digit[x]; P5OUT=Digit[x]; Delay(500); }

void main() {

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //关闭看门狗定时器 while(1) {

P5DIR=0x03; P4DIR=0xFF; P4DIR=0x00; P5DIR=0x02; P5DIR=0x03;

Display(); //要显示的数据 } }

3.2.6数据处理程序

这部分程序主要进行阻值计算、数字滤波、代码转换等处理。数据处理程序思路:先将存储于数据存储器RAM的电压、电流12位二进制数读出，对电压、电流数字量进行双精度数转换和标度变换，再进行回路电阻值参数计算，并进行误差校正和算术平均滤波。将测试电流值和计算的回路电阻值转化为BCD码，进行LED显示。数据处理程序如图3-5所示。

为进一步提高系统抗干扰和噪声的能力，保证测试的精度，对获得的测量值进行数字滤波处理，即进行多次测量后取平均值。经过软、硬件滤波处理后的系统误差大大降低。 数字滤波：用软件来减小或消除测量误差或信号中的无用成分。输入信号为模拟信号经采样和A/D转换后的数字量，对数字量进行一定的计算。设计中，对多次计算的回路接触电阻值进行算术平均滤波。

算术平均滤波就是连续取N个值进行采样，然后算术平均。采样值的个数N视具情况而定，计算阻值时取3~5。

标度变换:将A/D转换的数字量变换为带有工程单位的数字量。先将测量值数字量转换为对应的物理量，再通过代码转换程序转换为相应的BCD码，进行数字显示。

第四章 系统误差分析

4.1数据采集误差分析

在数据处理过程中，软件的计算误差极小，精度主要决定于数据采集通道的精度。采集通道包括电压、电流信号放大和滤波、A/D转换等。

在本系统中，信号部分主要分为两级放大和低通滤波，相当于三级放大电路，故该部分的放大误差等于三者误差的叠加。其中每个放大器都有以下误差情况：开环差模放大倍数位有限值造成的误差、共模抑制比为有限值造成的误差、由输入偏置电流和失调电流电压等影响产生的误差、由运放电路中电阻的阻值不准产生的误差。由于本设计中选用了高精度、低温漂测量放大器MAX495,由此引起的误差较小。

对由ADC12引起的误差主要有量化误差、非量化误差、温度漂移误差和电源波动误差。其中供电电压的不稳定造成的影响较严重。 4.2系统误差的减小与消除 (1) 四端接线法

对于微小电阻的精密测量，测量引线电阻的影响是不容忽视的，必须采取有效措施加以克服。为此目的，我们在前面介绍的四端接线法就是最简单可行的方法。同时应该注意，具体接线时应将电压测量线接开关连接杆的内侧，电流引线接开关连接杆的外侧.为了消除测量回路的影响，应采用足够粗的导线并缩短长度。设计中对开关电压的测量采用两对测试夹子，测试时夹子夹在导电杆上，实现四个端子测量触头两端电压。 (2) 系统误差的减小 1.在检测系统中，用软、硬件结合的办法，通过软件校正获得满意的结果。

2.减小工频信号产生的电磁干扰对测量精度的影响。对于工频信号可能产生的电磁干扰对测量精度的影响，在硬件上可以采用滤波电路，在软件上采用多次数据采样和数字滤波，滤除干扰后取平均值的方法。

3.减小环境温度变化对测量精度的影响。对于环境温度变化而引起的系统性能的变化，一方面在元件选用上予以考虑，如测量放大器环节的分压电阻采用精度高、温度系数低的精密电阻，放大器采用了低温漂、低失调电压的测量放大器MAX495；另一方面调节测量放大器的放大倍数，使电压、电流信号的幅值尽量接近于ADC12转换器的满量程范围，以减小量化误差。

总结 - 31 - 总 结

在对当前测试方法进行分析总结的基础上，本文论证的测试方法，通过智能化的数据处理，设计出一种实用的微小电阻测试系统。采用电流恒流源为基础的微欧仪进行测量，可降低测量仪器的要求，只要控制好通电时间长短，则可大大减少温度的升高，从而减少阻值的改变。由于小电阻一般很小，大约为几到几百m?，若用传统的直流双臂电桥等小电流测量方法进行测量，所产生的压降一般太小，这样对测量压降仪器的灵敏度要求必须很高，不仅测量难度大，也极难做到精确。

本设计中几个有特色的地方： (1)采用恒流电源技术

本文提出的通过恒流源的测量方法，这是一种常用的测试方法。当通电时间短时、被测电阻温度升高不多，电流流过所能达到的温升大大低于稳定温升，小电阻变化不大。同时要确保电流值较大，方便易改、易于提高测试电流，增加信噪比。 (2)采用MSP430F149单片机

MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns 的指令周期。同时它自带

12位模数转换器，有效地减少了测量误差，提高了测量精度，精度可达到万分之一，采样速度完全能够满足采样转换的要求，同时省去元件的数目并降低系统成本，简单好用。 (3)采用四端接线技术

设计中采用四端接线技术实现对测试电流、小电阻电压的测量。测量被测小电阻的电压时，使用两对测试夹。四端子接线技术有效的减少了引线电阻的影响，从而减小了测量误差，提高了测量精度。

参考文献

[1] 秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲.电子工业出版社，2006. [2] 康华光.电子技术基础(模拟部分) .高等教育出版社，2006.01.

[3] 胡大可 MSP430系列FLASH型16位超低功耗单片机. 北京航空航天大学出版

社,2005 [4] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用. 清华大学出版社,2005 [5] 江思敏，姚鹏翼．Protel电路设计教程．清华大学出版社，2002 [6] 谭博学，苗汇静．集成电路原理及应用．电子工业出版社，2003 [7] 房小翠，王金凤．单片机实用系统设计技术．北京：国防工业出版社．1999 [8] 李建忠．单片机原理及应用．西安：西安电子科技大学出版社．2002 [9] 何立民．单片机应用技术选编(1) ．北京：北京航空航天大学出版社．1993 [10] 江思敏，姚鹏翼．Protel99电路设计教程．北京：清华大学出版社，2002 [11] 何希才，张明莉．新型稳压电源及应用实例．北京：电子工业出版

社．2004 [12] Mark N. Hortein. Microelectronic Circuits and Devices．Prentice Hall Inc．1996 [13] Ghausi M. S. Principles and design of linear Active circuits. New York McGraw-Hill, 1995, Chap.4.

致 谢

本课题及毕业论文是在我的导师宋德杰老师的悉心关怀和精心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的开始到最终完成，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了许多做人的道理。在我的课题开展过程中倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的为人师表、渊博的知识、宽广的胸怀让我倍受教益，在此谨向导师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！ 我能顺利地完成学业，与父母多年来一如既往的支持和关怀是分不开的，在此，向任劳任怨、含辛茹苦的父母致以衷心的感谢！

衷心感谢在我成长的路上指点和帮助我的前辈和朋友们！ 衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qvo6.html