基于嵌入式單片機控制的生物電阻測試儀

易萬　羅晶

摘 要

由于生物體電阻的變化范圍超出了傳統電阻測試儀的測試范圍，只有使用專用的電阻測試儀才能得到較為準確的測試結果。文章首先介紹了基于嵌入式單片機控制的電阻測試儀的系統結構，并對電阻測量電路以及可程控基準源做簡單的介紹；最后對影響直流檢測和交流檢測的影響因素和改進方案提出了自己的看法。

【關鍵詞】嵌入式單片控制 電阻 高阻值 生物電阻測試儀

生物電阻測試儀是一種用于測試生物體在外界環境變化時的電阻值的電子工具，生物電阻測試儀和傳統電阻測試儀有很大的不同。傳統的電阻測試儀的作用在于檢查電氣安全以及接地工竣工驗收時的必備電子工具，傳統的電阻測試儀有一定的缺點，傳統電阻測試儀只能在直流偏置情況下才能測量電阻值；傳統電阻測試儀能夠測量的電阻值范圍也較低，一般的電阻測試儀只能檢測20MΩ的電阻。然而生物體的電阻會隨著外界環境的變化而變化，生物體電阻值變化范圍在數百KΩ至數十MΩ之間，遠遠超出傳統電阻測試儀的檢測范圍。不僅如此，傳統電阻測試儀不具備改變生物的外界環境的功能，因而傳統電阻測試儀也不能檢測生物體電阻的變化情況。因此，有必要使用特制的生物電阻測試儀檢測生物的電阻。

1 系統結構

電阻測試儀主要由5部分組成：基于嵌入式單片機控制系統、測試電路、串行接口、可程控基準源、鍵盤顯示電路，具體如圖1所示。通過程控基準在單片機控制系統的控制下可以實現穩定輸出直流或脈沖信號，加到測量電路后，信號在ADC通道內完成模數轉換，并存儲在FLASH ROM內，再經顯示器顯示所得的電阻值。電阻測試儀可以通過接口連接外置計算機系統，通過計算機控制測試電阻的過程，計算機再將電阻測試結構傳送至計算機顯示器。電阻測量電路和程控基準是生物電阻測試儀結構中比較有特色的部分。

1.1 電阻測量電量

由于生物體電阻值變化幅度較大，而卻還需要進行交流測量，因此在設計電阻測量電阻時可采用分段測點電路設計方式。

1.1.1 電阻值不高于1MΩ

如果測量的電阻值低于1KΩ，可采用電橋電路測量法和直接分壓電路測量法，這兩種方法都可以保證電阻測量儀的測量精度。盡管可以提高測量精度，但是待測量電阻值的變化范圍依舊較大，因而在使用以上兩種電阻測量時還應該使用分檔的方式，既以待測電路特性為依據，待測電路分為不同的檔次，但是分檔后會增加測量的復雜性，因此可以適當使用分壓方法進行測量，測量結果更加精確，線性度也更為理想。

1.1.2 電阻值高于1MΩ

如果電阻值高于1MΩ，電流會隨著電阻的增大而減小，但是會增加紋波的影響作用，交流測量電阻更是如此。一旦頻率升高，電流的波形會發生畸變，從而影響電阻儀測試的精確度。而且波形的畸變程度會隨著頻率的升高而增加，在高頻率下，放大電路也不能精確測試高阻值電阻。因此在測量電阻值高于1MΩ時不能使用串聯的測量電路，而需要使用并聯的測量電路，只有這樣才能保證及時電阻值在不斷的增大，第一級輸入電流也不會隨著電阻值的增大而變小，從而削弱寄生電容不能完全充放電對測量的影響作用。除此之外，待測電阻會隨和輸出電壓的變化向相反的方向變化，為單片機編程快速計算待測電阻提供了便利。

1.2 可程控基準源

可程控基準源由運放和齊納管兩部分組成，單片機定時器的定時信號產生的脈沖信號是基準源實現可程控功能的關鍵，基準源需要依靠脈沖信號控制運放的電源。脈沖信號處電平水平不同時，運放會處于不同的工作狀態，運放輸出的電壓也不同。當脈沖信號處于高電平水平時，運放會正常工作，并穩定輸出2.5V電壓；當脈沖信號處于低電平水平時，運放會停止正常工作，并停止輸出電壓。脈沖信號的電壓就可以作為生物電阻的測量信號。

2 生物電阻測試儀電路評價

2.1 直流測試評價

2.1.1 影響測試結果的因素

影響直流測試精度的影響因素大致可以分為兩個。一是在測試電阻不斷增加的情況下，電阻測試電路的采樣信號幅度會隨著電阻的增加反而變小，采樣信號幅度變小后，疊加在采樣信號上的紋波對測試結果的影響作用更明顯。二是隨著生物體待測電阻值不斷增加，并且增加到上百MΩ時，待測電阻的阻值和測試電路運放的輸入內阻的影響會放大，并對測量結果產生一定的影響，造成得到的電阻值和實際電阻值存在一定的誤差。

2.1.2 改進方法

改進方法也有兩個。一是使用干擾影響更小的電源和使用抗阻能力更強的放大器，電源干擾作用更小，電路部分的紋波也會更小，放大器的抗阻能力越強，當待測電阻的電阻值較高時，內阻對測試結果的影響就越小。二是對AD采用的數據進行軟件數字濾波處理，電阻測試結果的準確性和穩定性可以得到大幅度提升。

2.2 交流測試評價

在頻率升高的情況下，影響角力測試精度的主要影響因素只有一個：測試電路的RC時間。在高頻率情況下，測試電路計生電容會造成波形出現畸變，頻率越高，波形畸變的程度越嚴重，從而導致在高頻率情況下高阻值的電阻測量結果準確性不高。

3 結語

雖然生物電阻測試儀有精確度較高的檢測結果，在模擬生物體電阻測試實驗中發現在頻率為1KHz的情況下，生物體電阻變化范圍在5MΩ至20MΩ的測試精度較低，因此生物電阻測試儀還需要不斷的改進，實現在任何頻率精確測量生物體電阻值。

參考文獻

[1]王斌，金潞.接地導通電阻測試儀測量結果不確定度評定[J].中國計量，2011（06）.

[2]秦輝，李靜，董蓓蓓，劉艷霞，張曉光，馬術才. 全自動數字萬用表的設計[J].自動化與儀表，2010（01）.

[3]陳德益.基于嵌入式單片機的電機控制系統設計[J].計算機仿真，2010（01）.

作者單位

天津科技大學 天津市 300222endprint

摘 要

由于生物體電阻的變化范圍超出了傳統電阻測試儀的測試范圍，只有使用專用的電阻測試儀才能得到較為準確的測試結果。文章首先介紹了基于嵌入式單片機控制的電阻測試儀的系統結構，并對電阻測量電路以及可程控基準源做簡單的介紹；最后對影響直流檢測和交流檢測的影響因素和改進方案提出了自己的看法。

【關鍵詞】嵌入式單片控制 電阻 高阻值 生物電阻測試儀

生物電阻測試儀是一種用于測試生物體在外界環境變化時的電阻值的電子工具，生物電阻測試儀和傳統電阻測試儀有很大的不同。傳統的電阻測試儀的作用在于檢查電氣安全以及接地工竣工驗收時的必備電子工具，傳統的電阻測試儀有一定的缺點，傳統電阻測試儀只能在直流偏置情況下才能測量電阻值；傳統電阻測試儀能夠測量的電阻值范圍也較低，一般的電阻測試儀只能檢測20MΩ的電阻。然而生物體的電阻會隨著外界環境的變化而變化，生物體電阻值變化范圍在數百KΩ至數十MΩ之間，遠遠超出傳統電阻測試儀的檢測范圍。不僅如此，傳統電阻測試儀不具備改變生物的外界環境的功能，因而傳統電阻測試儀也不能檢測生物體電阻的變化情況。因此，有必要使用特制的生物電阻測試儀檢測生物的電阻。

1 系統結構

電阻測試儀主要由5部分組成：基于嵌入式單片機控制系統、測試電路、串行接口、可程控基準源、鍵盤顯示電路，具體如圖1所示。通過程控基準在單片機控制系統的控制下可以實現穩定輸出直流或脈沖信號，加到測量電路后，信號在ADC通道內完成模數轉換，并存儲在FLASH ROM內，再經顯示器顯示所得的電阻值。電阻測試儀可以通過接口連接外置計算機系統，通過計算機控制測試電阻的過程，計算機再將電阻測試結構傳送至計算機顯示器。電阻測量電路和程控基準是生物電阻測試儀結構中比較有特色的部分。

1.1 電阻測量電量

由于生物體電阻值變化幅度較大，而卻還需要進行交流測量，因此在設計電阻測量電阻時可采用分段測點電路設計方式。

1.1.1 電阻值不高于1MΩ

如果測量的電阻值低于1KΩ，可采用電橋電路測量法和直接分壓電路測量法，這兩種方法都可以保證電阻測量儀的測量精度。盡管可以提高測量精度，但是待測量電阻值的變化范圍依舊較大，因而在使用以上兩種電阻測量時還應該使用分檔的方式，既以待測電路特性為依據，待測電路分為不同的檔次，但是分檔后會增加測量的復雜性，因此可以適當使用分壓方法進行測量，測量結果更加精確，線性度也更為理想。

1.1.2 電阻值高于1MΩ

如果電阻值高于1MΩ，電流會隨著電阻的增大而減小，但是會增加紋波的影響作用，交流測量電阻更是如此。一旦頻率升高，電流的波形會發生畸變，從而影響電阻儀測試的精確度。而且波形的畸變程度會隨著頻率的升高而增加，在高頻率下，放大電路也不能精確測試高阻值電阻。因此在測量電阻值高于1MΩ時不能使用串聯的測量電路，而需要使用并聯的測量電路，只有這樣才能保證及時電阻值在不斷的增大，第一級輸入電流也不會隨著電阻值的增大而變小，從而削弱寄生電容不能完全充放電對測量的影響作用。除此之外，待測電阻會隨和輸出電壓的變化向相反的方向變化，為單片機編程快速計算待測電阻提供了便利。

1.2 可程控基準源

可程控基準源由運放和齊納管兩部分組成，單片機定時器的定時信號產生的脈沖信號是基準源實現可程控功能的關鍵，基準源需要依靠脈沖信號控制運放的電源。脈沖信號處電平水平不同時，運放會處于不同的工作狀態，運放輸出的電壓也不同。當脈沖信號處于高電平水平時，運放會正常工作，并穩定輸出2.5V電壓；當脈沖信號處于低電平水平時，運放會停止正常工作，并停止輸出電壓。脈沖信號的電壓就可以作為生物電阻的測量信號。

2 生物電阻測試儀電路評價

2.1 直流測試評價

2.1.1 影響測試結果的因素

影響直流測試精度的影響因素大致可以分為兩個。一是在測試電阻不斷增加的情況下，電阻測試電路的采樣信號幅度會隨著電阻的增加反而變小，采樣信號幅度變小后，疊加在采樣信號上的紋波對測試結果的影響作用更明顯。二是隨著生物體待測電阻值不斷增加，并且增加到上百MΩ時，待測電阻的阻值和測試電路運放的輸入內阻的影響會放大，并對測量結果產生一定的影響，造成得到的電阻值和實際電阻值存在一定的誤差。

2.1.2 改進方法

改進方法也有兩個。一是使用干擾影響更小的電源和使用抗阻能力更強的放大器，電源干擾作用更小，電路部分的紋波也會更小，放大器的抗阻能力越強，當待測電阻的電阻值較高時，內阻對測試結果的影響就越小。二是對AD采用的數據進行軟件數字濾波處理，電阻測試結果的準確性和穩定性可以得到大幅度提升。

2.2 交流測試評價

在頻率升高的情況下，影響角力測試精度的主要影響因素只有一個：測試電路的RC時間。在高頻率情況下，測試電路計生電容會造成波形出現畸變，頻率越高，波形畸變的程度越嚴重，從而導致在高頻率情況下高阻值的電阻測量結果準確性不高。

3 結語

雖然生物電阻測試儀有精確度較高的檢測結果，在模擬生物體電阻測試實驗中發現在頻率為1KHz的情況下，生物體電阻變化范圍在5MΩ至20MΩ的測試精度較低，因此生物電阻測試儀還需要不斷的改進，實現在任何頻率精確測量生物體電阻值。

參考文獻

[1]王斌，金潞.接地導通電阻測試儀測量結果不確定度評定[J].中國計量，2011（06）.

[2]秦輝，李靜，董蓓蓓，劉艷霞，張曉光，馬術才. 全自動數字萬用表的設計[J].自動化與儀表，2010（01）.

[3]陳德益.基于嵌入式單片機的電機控制系統設計[J].計算機仿真，2010（01）.

作者單位

天津科技大學 天津市 300222endprint

摘 要

由于生物體電阻的變化范圍超出了傳統電阻測試儀的測試范圍，只有使用專用的電阻測試儀才能得到較為準確的測試結果。文章首先介紹了基于嵌入式單片機控制的電阻測試儀的系統結構，并對電阻測量電路以及可程控基準源做簡單的介紹；最后對影響直流檢測和交流檢測的影響因素和改進方案提出了自己的看法。

【關鍵詞】嵌入式單片控制 電阻 高阻值 生物電阻測試儀

生物電阻測試儀是一種用于測試生物體在外界環境變化時的電阻值的電子工具，生物電阻測試儀和傳統電阻測試儀有很大的不同。傳統的電阻測試儀的作用在于檢查電氣安全以及接地工竣工驗收時的必備電子工具，傳統的電阻測試儀有一定的缺點，傳統電阻測試儀只能在直流偏置情況下才能測量電阻值；傳統電阻測試儀能夠測量的電阻值范圍也較低，一般的電阻測試儀只能檢測20MΩ的電阻。然而生物體的電阻會隨著外界環境的變化而變化，生物體電阻值變化范圍在數百KΩ至數十MΩ之間，遠遠超出傳統電阻測試儀的檢測范圍。不僅如此，傳統電阻測試儀不具備改變生物的外界環境的功能，因而傳統電阻測試儀也不能檢測生物體電阻的變化情況。因此，有必要使用特制的生物電阻測試儀檢測生物的電阻。

1 系統結構

電阻測試儀主要由5部分組成：基于嵌入式單片機控制系統、測試電路、串行接口、可程控基準源、鍵盤顯示電路，具體如圖1所示。通過程控基準在單片機控制系統的控制下可以實現穩定輸出直流或脈沖信號，加到測量電路后，信號在ADC通道內完成模數轉換，并存儲在FLASH ROM內，再經顯示器顯示所得的電阻值。電阻測試儀可以通過接口連接外置計算機系統，通過計算機控制測試電阻的過程，計算機再將電阻測試結構傳送至計算機顯示器。電阻測量電路和程控基準是生物電阻測試儀結構中比較有特色的部分。

1.1 電阻測量電量

由于生物體電阻值變化幅度較大，而卻還需要進行交流測量，因此在設計電阻測量電阻時可采用分段測點電路設計方式。

1.1.1 電阻值不高于1MΩ

如果測量的電阻值低于1KΩ，可采用電橋電路測量法和直接分壓電路測量法，這兩種方法都可以保證電阻測量儀的測量精度。盡管可以提高測量精度，但是待測量電阻值的變化范圍依舊較大，因而在使用以上兩種電阻測量時還應該使用分檔的方式，既以待測電路特性為依據，待測電路分為不同的檔次，但是分檔后會增加測量的復雜性，因此可以適當使用分壓方法進行測量，測量結果更加精確，線性度也更為理想。

1.1.2 電阻值高于1MΩ

如果電阻值高于1MΩ，電流會隨著電阻的增大而減小，但是會增加紋波的影響作用，交流測量電阻更是如此。一旦頻率升高，電流的波形會發生畸變，從而影響電阻儀測試的精確度。而且波形的畸變程度會隨著頻率的升高而增加，在高頻率下，放大電路也不能精確測試高阻值電阻。因此在測量電阻值高于1MΩ時不能使用串聯的測量電路，而需要使用并聯的測量電路，只有這樣才能保證及時電阻值在不斷的增大，第一級輸入電流也不會隨著電阻值的增大而變小，從而削弱寄生電容不能完全充放電對測量的影響作用。除此之外，待測電阻會隨和輸出電壓的變化向相反的方向變化，為單片機編程快速計算待測電阻提供了便利。

1.2 可程控基準源

可程控基準源由運放和齊納管兩部分組成，單片機定時器的定時信號產生的脈沖信號是基準源實現可程控功能的關鍵，基準源需要依靠脈沖信號控制運放的電源。脈沖信號處電平水平不同時，運放會處于不同的工作狀態，運放輸出的電壓也不同。當脈沖信號處于高電平水平時，運放會正常工作，并穩定輸出2.5V電壓；當脈沖信號處于低電平水平時，運放會停止正常工作，并停止輸出電壓。脈沖信號的電壓就可以作為生物電阻的測量信號。

2 生物電阻測試儀電路評價

2.1 直流測試評價

2.1.1 影響測試結果的因素

影響直流測試精度的影響因素大致可以分為兩個。一是在測試電阻不斷增加的情況下，電阻測試電路的采樣信號幅度會隨著電阻的增加反而變小，采樣信號幅度變小后，疊加在采樣信號上的紋波對測試結果的影響作用更明顯。二是隨著生物體待測電阻值不斷增加，并且增加到上百MΩ時，待測電阻的阻值和測試電路運放的輸入內阻的影響會放大，并對測量結果產生一定的影響，造成得到的電阻值和實際電阻值存在一定的誤差。

2.1.2 改進方法

改進方法也有兩個。一是使用干擾影響更小的電源和使用抗阻能力更強的放大器，電源干擾作用更小，電路部分的紋波也會更小，放大器的抗阻能力越強，當待測電阻的電阻值較高時，內阻對測試結果的影響就越小。二是對AD采用的數據進行軟件數字濾波處理，電阻測試結果的準確性和穩定性可以得到大幅度提升。

2.2 交流測試評價

在頻率升高的情況下，影響角力測試精度的主要影響因素只有一個：測試電路的RC時間。在高頻率情況下，測試電路計生電容會造成波形出現畸變，頻率越高，波形畸變的程度越嚴重，從而導致在高頻率情況下高阻值的電阻測量結果準確性不高。

3 結語

雖然生物電阻測試儀有精確度較高的檢測結果，在模擬生物體電阻測試實驗中發現在頻率為1KHz的情況下，生物體電阻變化范圍在5MΩ至20MΩ的測試精度較低，因此生物電阻測試儀還需要不斷的改進，實現在任何頻率精確測量生物體電阻值。

參考文獻

[1]王斌，金潞.接地導通電阻測試儀測量結果不確定度評定[J].中國計量，2011（06）.

[2]秦輝，李靜，董蓓蓓，劉艷霞，張曉光，馬術才. 全自動數字萬用表的設計[J].自動化與儀表，2010（01）.

[3]陳德益.基于嵌入式單片機的電機控制系統設計[J].計算機仿真，2010（01）.

作者單位

天津科技大學 天津市 300222endprint