2011大学生电子设计竞赛G题设计

摘要：2011全国大学生电子设计竞赛（瑞萨杯）于2011年8月举行。本次竞赛G题要求设计并制作一台简易自动电阻测试仪。文章对2011大学生电子设计竞赛G题设计情况进行了介绍，对竞赛过程、方法、经验提出一些体会。

关键词：大学生电子设计竞赛；简易电阻测试仪；单片机

中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）07-0017-02

2011全国大学生电子设计竞赛（瑞萨杯）于2011年8月31日早8:00开始，2011年9月3日20:00结束。笔者作为指导教师参加了此次竞赛，并指导学生获得了河南赛区一等奖，下面就竞赛中的思路和经验和大家做一交流。

我们选择的是高职高专组G题。本次竞赛G题要求设计并制作一台简易自动电阻测试仪。能够对100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四个量程档进行测量，测量准确度为±（1%读数＋2 字）；3 位数字显示（最大显示数必须为 999），能自动显示小数点和单位，测量速率大于 5 次/秒；100Ω、1kΩ、10kΩ三档量程具有自动量程转换功能；具有自动电阻筛选功能等任务。

一、系统方案

电阻测量的方法常用的有直流恒流源测量法、直流恒压源测量法、分压法等。多个方案比较后，学生最终选择分压法测量作为最终的方案，测量原理就是通过串联已知电阻，分压后，检测待测电阻电压来计算其阻值。基本原理如图1所示：

本测量方法的优点是测量电路简单，抗干扰能力强，可靠性高，短时间内容易搭建，另一方面可以简化程序中的算法。

本次设计要求测量量程为100Ω，1kΩ，10kΩ，10MΩ四档。即要求测量范围为：1～10MΩ，在全量程范围内测量准确度为±（1%读数+2字）。在A/D转换部分的设计中，采用PIC16F877单片机，该单片机内有10位A/D，A/D输入信号为0～5V时，转换字为D=0～1024，则分辨率为4.8mV/字。设计的量程分配和测量精度的详细情况如下表：

表1

量程 RX范围 基准电阻 输出电压 （电阻）分辨率 精度

1 0～100Ω 100Ω 0mV～2.5V 0.1～0.5Ω/字 97%

2 100～1kΩ 1kΩ 50mV～2.5V 1～5Ω/字 98%

3 1k～10kΩ 10kΩ 50mV～2.5V 10～50Ω/字 98%

4 10k～10MΩ 100kΩ 500mv～5V 0.1～0.5kΩ/字 99%

本设计自动量程转换功能主要由单片机控制继电器的通断来调节，原理为单片机根据采样来的电压数据来判断是否要切换到更大或更小的量程，因为本次设计共四个档位，前三个档位为自动切换。采用继电器可以减小回路中的不必要电阻，这样在分析电路和程序中算法的设置可以减少很多麻烦。电位器阻值变化曲线的实现主要由单片机在显示装置如12864等液晶装置中不断的写入数据和液晶屏的移屏操作来实现。因为不同的电阻反映在电路中是不同的电压，将采集到的电压信号转为数字信号，反馈到液晶屏即可，这就要求AD有更高的处理速度。

二、硬件与程序设计

本系统包括硬件设计和软件设计两部分内容：

（一）硬件设计

根据上述思路，我们以PIC16F877单片机为核心，配以量程切换电路，测量电路，显示电路等构成简易的电阻测试仪。PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序；而其内建ICD（In Circuit Debug）功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，快速地进行程序除错与开发。

量程切换电路主要使用了ULN2003八路NPN达林顿连接晶体管，ULN2003特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL，CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口。液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，因此显示电路采用的是1602液晶显示屏而没有用数码管显示。报警电路采用一个普通三极极管加一个蜂鸣器实现，当出现故障时的报警提示功能。

（二）软件设计

程序流程图如下：

三、测试结果

经多组电阻检测，都能符合题目要求的精度，误差小于1%。

在常温下，应用电阻测试仪对高精度电阻进行测试，结果见表2。

随机抽取若干电阻，应用电阻测试仪对电阻进行筛选。在测试中我们筛选两组，用小键盘对测试仪进行调节，两组分别为100Ω～500Ω和2KΩ～5KΩ。测试结束后，和标准结果予以对比。测试结果见表3。

本系统采用PIC单片机实现了一个简易电阻测试仪，达到了系统基本要求，而且系统稳定，测量精度较高，相对误差小于1%，操作简单，具有较强的实用性。当然本系统还存在着许多需要改进的地方，比如还可以继续提高测量精度，加大测量范围。因为是采用单片机实现的，利用其可以编程的特性，使测量的值结合一些数据处理方法使测量更加接近真实值。在后续完善过程中还有许多工作要做。

由于竞赛要求参赛学生在四天三晚的时间内完成题目要求的系统方案设计、硬件制作、软件调试及论文撰写工作，时间还是比较紧迫，全面检验了参赛学生的理论素养、实践动手能力和工作能力。按照这次竞赛的经验来看，三名学生最好来自不同专业，有各自擅长的领域，在分工协作上比较有优势。这次获得一等奖的这组学生就分别来自应用电子、电气自动化和机电一体化专业，分别负责电路设计、软件设计和硬件设计。近几届竞赛的每道试题基本上都直接或间接地利用了单片机、可编程逻辑器件、EDA技术、嵌入式技术等，而且特别注重动手能力和创新能力，这对我们的课程设置、教学改革都有很好地促进，在培训中除了基础知识外也要加强这方面的内容。最后的答辩环节也要引起足够的重视，在答辩问题和演示器材上提前多做准备对最终的名次很有帮助。

参考文献

[1] 2011全国大学生电子设计竞赛（瑞萨杯）高职高专组题目[G]题．简易自动电阻测试仪，2011．

作者简介：王俊豪（1974-），男，许昌职业技术学院机电工程系电气工程师，研究方向：电子技术、电力自动化教学。