單片機控制的高阻測量系統

梅孝安，范春波，趙艷杰，周旭陽，朱玉軍，楊中華

(湖南理工學院 物理與電子學院,湖南 岳陽 414000)

1 引 言

目前沖擊電流計的發展已經由傳統機械式向電子數字式轉變，數字沖擊電流計用LED數碼管顯示測量結果，讀數清晰，操作方便，精度高. 采用數字沖擊電流計后，實驗的誤差主要來源于電容對高阻放電時間的測量，傳統的機械開關與秒表測量系統很難做到啟停同步，所測實驗數據誤差大. 文獻[1]在實驗中為了同步對開關采用了光電門計時，雖然精度有所提高，但開關與光電門間還是存在間隙，誤差不能避免. 文獻[2]在實驗中引進了電子技術，采用繼電器與相關的電路來控制，大幅提高了實驗精度，但不能隨意改變電容放電的時間，實驗操作不方便. 筆者利用AT89C52單片機、繼電器以及數碼管等外圍器件設計并開發出一套具有精準控時智能開關控制器，此電流計價格成本低、測量精確、功能多樣，利用此儀器附加其他設備，可以精確地測量電量、高電阻、電容以及磁場強度.

2 系統設計思想

高電阻一般指1×106Ω以上的電阻，由于惠斯通電橋靈敏度有限，因此一般不能也不宜用它來作精確測量高電阻. 目前用漏電法能比較精確地測量高電阻，其測量原理如圖1所示.

圖1 漏電法測高阻電路圖

測量方法是將被測電阻R與已知電容C并聯，然后按下面3種狀態運行：

1)先將單刀雙向開關S連接到3端的電源，對電容器充電(此為S開關的狀態A)；

2)然后將開關S斷開，即不與3接觸，也不與1接觸，電容器上的電荷將通過高電阻R泄漏(此為S開關的狀態B)；

3)最后將S開關連接到1端，電容上剩余的電量流進沖擊電流計而被測出(此為S開關的狀態C).

精確控制漏電的時間并測出剩余電量就能通過計算得出高電阻的阻值. 如果利用秒表手工控制漏電的時間，即開關手動與秒表手工停啟，實驗誤差非常大. 本項目設計的智能開關控制器利用單片機定時系統和繼電器電磁開關能進行精確的定時控制，用戶可以隨意設定電容充電的時間、電容對電阻放電的時間，系統自動完成各種狀態的切換.

3 系統硬件設計

系統硬件的設計主要包括AT89C52單片機最小系統、鍵盤模塊、充放電開關模塊、顯示模塊和復位模塊的電路設計.

系統硬件電路圖如圖2所示.

圖2 系統硬件電路圖

1)鍵盤控制模塊. 鍵盤控制模塊由4個按鍵電路組成，分別連接到單片機的P3.2，P3.3，P3.4和P3.5口，其作用分別是狀態切換、加、減、開始. 默認的狀態是狀態A為設置充電時間，當按一下狀態切換鍵轉到狀態B為設置放電時間，再按一下狀態切換鍵轉到狀態C為設定沖擊電流計測量的時間，所有的時間都可以用加減鍵來設定. 按下開始鍵，系統將按設定的時間在3種狀態按順序自動切換.

2)充放電開關模塊. 該模塊主要由2個繼電器RL1和RL2組成，它們分別由單片機的P3.0和P3.1口通過三極管發大電路來控制. 圖中的Switch_1，Switch_2和Switch_3端分別對應圖1中S開關的1，2和3端. 狀態A為RL1閉合，RL2斷開; 狀態B為RL1和RL2均斷開; 狀態C為RL1斷開，RL2閉合. 另外由于繼電器為感性元件，所有均反向并聯了1個二極管.

3)顯示模塊. 顯示電路由4個8段LED數碼管組成了動態顯示電路，4個數碼管的8位字形碼并聯在一起，由單片機通過P0.0～P0.7控制顯示，而4個位選線則是由單片機上的P2.0～P2.3控制.

4 系統軟件設計

系統軟件采用C51語言編寫，通過Keil uVision4編譯. 軟件設計的思想是先進行定時器中斷設置及其他的初始化工作，然后對按鍵輸入的數據進行顯示并將數據讀入單片機處理，最后確認數據并按設定時間在3個狀態間自動切換. 系統流程圖如圖3所示.

圖3 系統流程圖

5 實驗測量

單片機控制系統主板如圖4所示，實驗測量裝置實物如圖5所示，圖中的智能開關控制器即為單片機高阻測量系統.

圖4 系統主板圖

圖5 實驗測量裝置實物圖

為了對比，對6.8 MΩ標準高電阻測量了2組實驗數據，如表1所示，其中t為電容放電時間，Q1為采用單片機控制系統測量的剩余電量，Q2為傳統機械開關測量的剩余電量. 實驗采用的標準電容C0為1 μF，所加電壓V為1 V.

表1 實驗數據測量表

6 結束語

目前基于單片機控制的智能實驗儀器在傳統的物理實驗中得到了充分的應用[3-6]，這些儀器出現使實驗操作更為方便，測量結果更為準確. 因此筆者利用AT89C52單片機、繼電器以及數碼管等外圍器件設計與開發出了單片機控制高阻測量系統. 在高電阻測量實驗中采用本系統后，實驗操作變得形象直觀簡單，提高了測量的準確度和效率，從而提高學生對物理實驗學習的興趣，同時也讓學生更早地了解、認識電子技術. 本實驗系統在湖南理工學院大學物理實驗室對學生進行了多批次的實驗教學應用，教學效果較好.

參考文獻：

[1] 張國英. 對沖擊電流計測高阻實驗精確度及方法的研究[J]. 首都師范大學學報(自然科學版),1995,16(1):40-44.

[2] 劉征，劉昶丁，柳紀虎. 《沖擊電流計測高電阻》實驗的改進[J]. 實驗技術與管理,1987,4(2):52-54.

[3] 羅保軍. 基于單片機PCA的多功能微弧氧化電源[J]. 物理實驗,2012,32(9):43-36.

[4] 陳慶東,王俊平,馬國利. 太陽能自動微灌演示系統設計[J]. 物理實驗,2013,33(5):33-35.

[5] 李成龍,李敬兆. 基于單片機的全操作仿真實驗儀器設計[J]. 物理實驗,2013,33(10):10-12，17.

[6] 閆文林,張永祥,張冠芬. 智能化多功能物理量測量儀[J]. 物理實驗,2013,33(12):9-12.