基于89C51放電法測高阻數據的采集與處理

雒硯軍

（西安財經學院 陜西 西安 710100）

高阻，一般指106Ω以上的電阻，也有人把108～1017Ω的電阻稱之為超高阻。由于電阻值較高，一般測量電阻儀器受量程和靈敏度的限制，準確測量高阻有一定的困難。在工業中，常采用放電法測量高阻。放電法測高阻原理是將待測高阻與已知電容組成回路，在電容放電時測量電容上的電量（或電壓）隨時間的變化關系，從而確定高阻的阻值。

單片機自20世紀70年代問世以來，以極其高的性能價格比受到人們的重視和關注，發展速度很快。單片機有體積小，重量輕，抗干擾能力強等優點，對環境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發較為容易，在實時測量和新型測量儀器方面已得到了廣泛的應用。利用單片機89C51和數字電路技術，將采集到電容上的模擬電壓，經過模數轉換，在單片機89C51的控制下，經串行通信接口送入計算機，由計算機處理后給出測量結果。從而減少人工操作，提高了測量的速度和精確度，使測量高阻實現全自動化。

1 測量原理

圖1是RC放電原理圖。

當開關K扳向A時，電源E給電容C充電，當開關K由A扳向B時，電容C通過電阻R放電。設放電時間為t，則在t時刻電容C上的電量Q、電壓U和RC回路中的電流I之間滿足：

圖1 RC放電原理圖Fig.1 RC discharge schematic

其中負號表示隨著放電時間的增加，電容器極板上的電荷Q隨之減少。注意：Q、U、I 3個量都是時間的函數。

設初始條件為：t=0時，Q=Q0，則電容上電量隨時間的關系：

式中RC稱為時間常數，一般用τ表示，其物理意義為：當t=τ=RC時，電容上的電量由t=0時的Q0下降到0.368Q0。τ決定放電過程的快慢，τ越大，放電越慢；反之，τ越小，放電越快。當t=5，τ=5RC時，Q=0.005Q0，可以認為放電基本結束。對上式取自然對數有：

若用沖擊電流計測量電容兩端電量時，由于通過電流計的電量Q與電流計光標的第一次最大偏轉距離d成正比（Q∝d），因此（1）、（2）式可改寫為：t

式中d0、d分別表示t=0、t=t時，電流計光標的第一次最大偏轉距離。以t為自變量，以d為因變量，作d～t曲線如圖2所示。從曲線上找到d=d0/e的點，該點所對應的t值應等于τ。因 τ=RC，而 C 已知，即可求出 R 值。也可根據（4）式作 lnd～t曲線圖，由于lnd與t成線性關系，則曲線為一直線（見圖3），其直線的斜為-1/RC，由此也可求出R值。

圖2 d-t曲線Fig.2 d-t curve

圖3 lnd-t曲線Fig.3 lnd-t curve

由于電容器絕緣不太理想及各種漏電因素，即使去掉被測高阻R，電容器也要放電，這就相當于有一個漏電電阻。這個漏電電阻等效于一個超高阻R0和電容C并聯。測得的R實際上是待測電阻Rx和漏電電阻R0的并聯。有

為了測出R0，可將圖1電路中的R拆去，同樣按上述方法測出一組數據，通過作圖即可求出 R0，再將R、R0代入（5）式，便可求出Rx。

2 硬件電路

文中就是根據上述原理，利用單片機和數字電路技術對電容進行實時測量和數據處理的。整體電路框圖如圖4所示。其中硬件電路主要包括充放電、模數轉換、單片機和串行通信接口4部分。

2.1 充放電電路

圖4 整體電路框圖Fig.4 Overall circuit diagram

將待測高阻與已知電容組成回路，先讓電源給電容充電，充電完成后，再讓電容通過電阻放電[5-6]。在電容放電時測量電容上的電壓隨時間的變化關系，從而確定高阻的阻值。這里選用輸入阻抗達到1015Ω的運放AD549用作電壓跟隨器，隔離測試回路與待測電阻回路。

圖5 充放電電路Fig.5 Charge and discharge circuit

2.2 模數轉換部分

模擬信號送入ADC0809。ADC0809為8路輸入通道8位A/D轉換器[1-2]，即分辨率為8位，具有轉換起停控制端，轉換時間為100μs，單個+5 V電源供電 ，模擬輸入電壓范圍0～+5 V，不需零點和滿刻度校準。ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可以與89C51單片機直接相連[4]。初始化時，使START和OE信號為低電平，開始轉換時在START和ALE加一個正脈沖信號，ADC0809開始轉換，在轉換期間EOC為低電平，轉換結束EOC為高電平。單片機根據EOC信號檢測到轉換結束后，給OE為置高電平，ADC0809把轉換的數據輸出到8位數據線上，單片機由數據線上獲得轉換結果。

單片機系統的晶體為12 MHz，ADC0809的工作頻率選為 500 kHz，在電路中采用74LS74把單片機的2 MHz的ALE信號進行4分頻，獲得AD0809所需的工作頻率。

2.3 單片機部分

ADC0809的START為轉換啟動信號，當START上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，START應保持低電平，讓START和P2.7連接。EOC為轉換結束信號，當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換，檢測ADC0809的EOC端，將它與P3.2口連；OE為輸出允許信號，用于控制3條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=1，輸出轉換得到的數據；OE=0，輸出數據線呈高阻狀態，讓OE與P2.6連接。D7－D0為數字量輸出線，數據的輸出口連接到PO口，單片機由PO口讀取轉換結果，在單片機上實現數據的換算。

圖6 ADC0809部分Fig.6 ADC0809 part

圖7 74LS74部分Fig.7 74LS74 part

圖8 89C51部分Fig.8 89C51 part

2.4 串行通信接口部分

單片機通過rxd和txd實現和MAX232的通信[3]，MAX232通過T-in1和Rout1與單片機相連實現數據的傳輸，這部分主要實現的是電平的轉化，由于電腦串口RS232電平是邏輯1電壓-9 V；邏輯0電壓 +9 V，而一般的單片機應用系統的信號電壓是TTL電平邏輯1電壓+5 V；邏輯0電壓0 V，單5 V供電的MAX232內部采用電荷泵技術，實現TTL邏輯電平到RS232邏輯電平之間的轉換。通過MAX232可以把單片機的串行通信口和計算機的RS232串行通信口相連，實現單片機和計算機的數據通信。

圖9 MAX 232部分Fig.9 MAX 232 part

3 結束語

該測量系統電路設計簡單，編程運行后，工作穩定，性能可靠，具有一定實用價值。它既可以作為自動化測量設備，也可以作為高年級大學生課程設計或畢業設計題目，對于拓寬大學生知識面，提高實際動手能力和解決問題能力有一定的價值。

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