电子测量技术 第３８卷第６期 ２０１５年６月 ＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ 基于电桥的高精度电阻测量系统的设计与实现＊ 何乃龙 ２．江苏省气象传感网技术工程中心 南京沙奕卓 行鸿彦 ２１００４４；３．中国气象局气象探测中心 北京 １０００８１） （ｉ．南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心 南京 ２１００４４； 摘 要：针对现有的电阻测量仪器和设备对于电阻测量的精度不高以及价格昂贵的问题，设计了一款基于电桥的高 精度电阻测量系统。系统采用电桥电路作为测量电路，利用ｓＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＲＢＴ６单片机作为控制核心，主要通过基准 电压电路和Ａ／Ｄ模块电路实现测量电阻数据的采集与模数转换，同时，为了实现对电阻的高精度测量，通过硬件去耦 滤波和软件数字滤波及误差补偿２种方式共同减小了接触电阻、导线电阻以及其他各类噪声的影响。系统在测量电 阻时可以通过液晶显示六位有效位数字，即精度可达到十万分之一，分辨率为１ ｍＱ；它具备电阻测量的操作简单、数 据采集稳定、灵敏度高和成本低廉等特点，可以对各类电阻包括精密电阻的阻值测量，并且适用于应用于实验、维修和 工程开发等多种场合。 关键词：电阻测量；电桥电路；ＳＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＲＢＴ６；高精度；接触电阻 中固分类号：ＴＮ７１０－３４ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５１０．１０ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｒｉｄｇｅ Ｈｅ Ｎａｉｌｏｎｇ ’ Ｓｈａ Ｙｉｚｈｕｏ。Ｘｉｎｇ Ｈｏｎｇｙａｎ ’ （１．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｎ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｅ０ ｒ（】ｌｏｇｉｃａｌ Ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４，Ｃｈｉｎａ； ３．Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｎｏｔ ｅｎｏｕｇｈ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｈｉｇｈ—ｃｏｓｔ ｐｒｏｂｌｅｍ，Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ＵＳｅＳ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６ ＳＣＭ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｍａｉｎｌｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｏｇ—ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ Ａ／Ｄ ｍｏｄｕｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｂｏｔｈ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｅｏｕｐｌｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｂｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｌｅａｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｎｏｉｓｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃａｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｉｘ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｇｉｔ ｂｙ ｔｈｅ ＬＣＤ，ｔｈａｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｏｎｅ ｈｕｎｄｒｅｄ ｔｈｏｕｓａｎｄｔｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ １ ｍＱ；Ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｓｔａｂｌｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｃａｎ ｍｅａｓｕｒｅ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ，ａｎｄ ａｐｐｌｙ ｔｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ．．ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ；ＳＴＭＳ２Ｆ１０３ＲＢＴ６；ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ １ 引 言 度 不高，是个一直需要克服的问题，尤其在小电阻的 测量问题上尤为突出，对于不能准确排除小电阻的影 在生活、实验和工程实践中对于电阻测量的精 收稿日期：２０１４—１０ ＊基金项目：国家自然科学基金（６１０７２１３３）、江苏省产学研联合创新资金计划（ＢＹ２０１３００７—０２，ＢＹ２０１１１１２）、江苏省高校科研成果产业化推进 （ＪＨＢ２０１１－１５）、江苏省“信息与通信工程”优势学科平台资助项目 ・ ９２ ・ 何乃龙等：基于电桥的高精度电阻测量系统的设计与实现 响而引起实验数据与理论值之间存在较大误差，从而 影响实验效果 ］。测量电阻的方法有很多种，如欧姆 表法、伏一安法等，目前的电阻测量仪大多采用欧姆定 律法。与此同时，电阻测量分小电阻测量与大电阻测 量，小电阻测量施加电流源，大电阻测量施加电压源。 但它们多数都不同程度地受电表精度和接入误差的影 响，从而使测量精度受到影响＿３］。电桥法测电阻是一 第６期 串呈 电路电路ｊ＼广— ｓ．Ｉ ｏ２ Ｉ＼一 Ｆ１０３ＲＢＴ６ 主控芯片 ｔ ｔ Ｉ阻 最 艄３Ｖ基准电压电路 复位电路广—— 面 种比较法，上述的影响比较小，只要桥臂参考电阻很精 确，数据采集稳定，那么就能很好的测量待测电阻 ］， 并且可以通过电桥的基本公式可以初步的计算出测量 的电阻阻值。 另外，目前ＳＴＭ３２单片机广泛应用于工业控制、智 能仪表、计算机网络通信、医疗、汽车等众多领域。作为 系统的控制核心，采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６单片机作为系 统的控制核心，使各部分电路协调工作 。与传统单片 机相比，ＳＴＭ３２系列基于专为要求高性能、低成本、低 功耗的嵌入式应用专门设计，它的主频和定时器的频率 可以通过ＰＬＩ 倍频高达７２ ＭＨｚ＿６］，高分辨率豹定时器 协同２４位的Ａ／Ｄ芯片为高精度的电阻测量提供了重要 保证。 设计的基于电桥的高精度电阻测量系统，采用电桥电 路为核心测量电路，因为电桥电路的测量方法有效地避开 了电源随时间变化造成的误差，也避开电流表分压、电压表 分流、过多导线分压等问题 ，同时还具备便于精确计算和 安全性高的优越性；利用ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的高性能 的ＳＴＭ３２单片机为系统的控制核心，使得数据采集和处 理更加高效，系统的性能更加稳定。 ２基于电桥的高精度电阻测量系统的设计 系统是以电桥电路作为核心的电阻测量电路，通过精 度高且低温漂的电阻作为电桥的桥臂电阻，不仅解决了参 考电阻阻值精确和受温度影响的问题；利用电桥公式反推 待测电阻的基本公式，再通过程序算法对测量得到的电阻 值进行修正；利用ＳＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＲＢＴ６单片机控制整个系统 的运行。 系统为基于电桥的高精度电阻测量控制系统的设 计，硬件部分的大体框图如图１所示：系统由电桥电路、 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６单片机控制基本电路、基准电压电 路、Ａ／Ｄ转换模块电路、电源电路、ＵＳＢ下载与串ＶＩ通信 电路、ＴＦＴＬＣＤ液晶显示电路、Ｆｌａｓｈ存储电路、ＲＴＣ时 钟电路、按键控制电路和ＬＥＤ电路。它们共同实现电 阻数据的测量、处理、存储和显示的功能，显示的数据不 仅包括推算得到的电阻值还包括采集到的电桥电路输 出酌电位值，这样就方便对测得的电阻值进行修正提供 可靠的数据支持，从而可以使最终电阻阻值达到更加精 确的效果。 图１ 系统的硬件部分的大体 ３数据信号采集 系统以电桥电路作为电阻的测量电路，通过Ａ／Ｄ转换 模块电路实现系统电桥电路输出电位的采集与转换，通过 选择高精度Ａ／Ｄ转换芯片提高精度测量的方法，利用基准 电压模块电路给电桥电路和Ａ／Ｄ转换芯片提供基准电压， 数字信号与模拟信号通过零欧姆的电阻进行隔离，减小不 同信号之间的相互干扰，从而可以更加稳定的采集数据。 ３．１电桥电路的搭建 系统电桥电路是将原本电桥的４个桥臂的其中１个桥 臂接待测电阻，另外３个桥臂都接精度为万分之一且低温 漂的精密电阻，这样可以使得电桥电路工作更加稳定和测 量电阻数据更加精确。 如图２所示系统电桥部分电路：ｌＲ 、Ｒ 。和Ｒ 。是３个 精密电阻作为电桥其中３个桥臂的参考电阻，待测电阻由 ＨＴ３接线端子或ＧＸ１６—２一ＨＫ航空插头接入，通过航空插 头接人可以大大减小了接触电阻的影响 ；电路通过零欧姆 的电阻接地，减小其他接地器件的干扰从而使得电路工作 更加稳定。 ＇ＧＸｌ 图２系统电桥部分电路 ３．２ Ａ／Ｄ转换模块电路 本系统所采用的Ａ／Ｄ芯片的型号为ＡＤ７７９３，它具有３ ・ ９３ ・ 第３８卷 电 子 测 量技术 个差分模拟通道输入，从而可以实现３组通道进行采集电压 模拟前端，内置一个低噪声１６位／２４位∑一△型ＡＤＣ，集成了 片内低噪声仪表放大器，因此可直接输入小信号。 数据，它是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整 ＳＣＬＫ ＣＳ 一 １ ＳＣＬＫ ２ ＣＬＫ ＤＩＮ ！ ＤＯＵＴ／ＲＤＹ ＤＶＤＤ ＡＶＤＤ １４ —里 Ｑ ３ ＣＳ ４ ＩＯＵＴＩ ＡⅡ ｌ＋ ５ ＡＩＮＩ（＋） ３ ］ＶＱｌ ３ ＧＮＤ ： ＧＮＤ ｌＩＩＩ Ａ＿Ｄ ＋．．．广————一 ＡＩＮ２（＋） ＡＩＮＩ（９ ＲＥＦＩＩＯＵＴ２ 一由 Ｎ（－），Ａ玎 （．） Ｉ ＧＮＤ ｌＯｕＦ ＧＮＤ ＝｝＝ —— ＡＩＮ２（－） ＲＥＦＩＮ（＋）／ＡＩＮ３（＋］ 图３ Ａ／Ｄ转换模块电路 系统中用到了其中２组通道实现了电桥电路两端的 输出电位的采集，如图３所示：系统通过ＡＤ７７９３的通道１ （ＡＩＮ１）和通道２（ＡＩＮ２）共同完成电桥电路输出电位的采 系统采用的基准电压芯片是ＡＤ７４３ＲＥＦ１９６，它可以提供 ３．３Ｖ的基准电压。 基准电压产生电路如图４所示：考虑到系统的电桥电 路与Ａ／Ｄ转换芯片都需要外部提供稳定的基准电压，而又 集；在Ａ／Ｄ芯片供电和电位采集部分接口都用了零欧姆电 阻和滤波电容大大降低了外界噪声的干扰，使得Ａ／Ｄ芯片 工作更加稳定和高效 ］。 ３．３基准电压产生电路 电桥电路接人待测电阻不同和基准电压芯片本身负载能 力影响，本系统就通过２块型号相同的基准电压芯片分别 给电桥电路和Ａ／Ｄ转换芯片通过基准电压，使得这两部分 电路工作稳定并不相互干扰。 为了消除Ａ／Ｄ芯片内置基准电压源噪声较大的问题 和满足高测量精度的要求，系统选用外置的基准电压源。 １ ２ ＴＰ ｖｓ ＮＣ ＮＣ ８ — ７ — ＝＝＝ Ｆ ３ ＳＬ唧 ０ＵＴＰＵＴ ＧＮＤ １］Ｐ ６ Ｆ ＧＮＤ 图４基准电压产生电路 系统通过上述的电桥电路、Ａ／Ｄ转换模块电路和基准 电压电路３部分电路共同完成了系统待测电阻的接入、电 线电阻、接触电阻和系统电路电气特性等，以及通过具体 的实验来进一步修正待测的电阻的阻值；通过上述２个步 骤实现最终待测电阻阻值的获取，并可以通过Ｆｌａｓｈ存储 电路实现对最终的电阻阻值存储。 ４．１ 电桥测量电阻的原理与计算 桥电路输出电位的采集及模数转换和Ａ／Ｄ转换芯片与单 片机进行数据通信的功能；另外，系统采用低温漂的精密 电阻作为电桥桥臂电阻和２４位的Ａ／Ｄ转换芯片保证了系 统所要达到高精度的要求。 在本系统中的电桥部分电路简易示意图 如图５所 示。Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ点分别表示导线的接触点，ｕ是通过基 准电压产生电路获得的基准电压，Ｒ。、Ｒ 和Ｒ 为精密电 阻，Ｒ 为待测电阻，Ｕ 为电桥输出电压，这样就可以先测 量Ｂ和Ｃ两点的电位，从而可以进一步计算得到待测电阻 的阻值。 ４数据信号处理 对于通过电桥电路采集过来的信号，经过Ａ／Ｄ转换模 块电路模数转换后所得的数据传送给单片机进行首次计 算处理待测电阻的阻值；再通过分析数据信号采集时的导 ９４ ・ ・ 何乃龙等：基于电桥的高精度电阻测量系统的设计与实现 第６期 对于本系统所测量的精密电阻的阻值与其所标定的 值进行了对比并在表１中附上了两者的误差值，为了使实 验的结果更加明显和直观，通过ＭＡＴＬＡＢ画出上面的１５ Ａ Ｄ 组数据的散点图并进行了线性拟合 “ ，如图６所示。 图５电桥电路简化示意 根据图示的电桥电路可得： 一ｕ 等 ・ Ｒ Ｕ ＝ＵＣＤ—ＵＢＤ 式中：电桥电路的基本公式如式（１）所示，通过对电桥电路 薹一 表１ 系统测量数据 （Ｑ） （１） （３） 两端的输出电位的采集从而可以计算得出上述的Ｕ 如上 述式（３）所示，单片机对采集过来的数据进行就算处理首 先根据上述Ｒ 的式（２）可以计算出待测电阻的阻值。 ４．２电阻阻值的修正 图６精密电阻的原始值与系统的测量值的对比 虽然系统对于各类噪声、导线电阻与接触电阻以及硬 件电路的电气特性对最终电阻值的影响，通过硬件措施进 为了使精密电阻的原始值与系统的测量值的对比人 眼更加能够容易分辨，在ＭＡＴＬＡＢ程序中将电阻原始值 曲线向右移动了一位，这样就可以清晰的看出两者的大致 行了严格改进，但是误差是永远存在的，那么就需要通过 实际的实验，对产生的误差进行进一步分析，从而对上述 计算所得的电阻阻值进行进一步修正，这样可以使得系统 趋势图；从表１和图６可以看出系统的测量值与电阻的原 始值相差约为０．０５０ ｎ，这些误差来源可能是接触电阻、导 线电阻和所用元器件自身的阻抗等，但从实验可以发现它 测得的电阻阻值更加精确 。如表１所示系统所测的ｌ５ 组精密电阻的阻值。 们所存在的阻抗比较稳定，因而可以在ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６ 单片机中对系统测得的电阻阻值进行进一步补偿即将测 得值减去０．０５０ Ｑ，这样可以使得系统的测量值更加精确。 将设计出来的系统拿到了电路实验室中使用，发现系 统在电阻测量过程中性能非常的好，并且与市场上其他类 型的电阻测量仪器对比有明显精度高和稳定性高的特点， 另外它的电阻测量操作简单，而且更加智能，因此具有很 强开发和推广的意义。 ４．３电阻阻值的存储 系统考虑到对于最终测量的电阻数据方便日后查看 与实验使用，并且人工记录数据速度慢且查询也不方便， 系统设计了Ｆｌａｓｈ存储电路以方便用户对实验所得数据进 行存储，如图７所示为Ｆｌａｓｈ存储部分的电路。 司 ！！ ＧＮＤ 图７ Ｆｌａｓｈ存储部分电路 ・ ９５ ・ 第３８卷 电子坝《量技术 系统通过２个配备的功能按键实现对Ｆｌａｓｈ进行数据 存储与读取的操作，其中Ｆｌａｓｈ存储部分电路所用到的存 储芯片是Ｗ２５Ｘ１６，它的容量为１６ Ｍｈ也就是２ Ｍ字节， 完全满足电阻阻值数据存储容量的需求，由于该芯片是通 过ＳＰＩ的方式进行数据读写操作，ＳＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＲＢＴ６单片 机上也有ＳＰＩ接口Ｉ ，因此方便两者之前的通信，另外该 芯片还具有占用ＰＣＢ空间小和低功耗等特点，是该系统硬 件电路更加精炼。 综上所述，通过对电桥测量电阻原理的分析，利用高 性能３２位的ＳＴＭ３２单片机计算处理电阻阻值；通过误差 分析和实验对计算所得到的电阻阻值进行进一步修正，使 得最终所获取的电阻阻值更加精确，同时精度也达到要 求；另外，系统还可以实现电阻阻值的存储和读取操作，使 得系统的功能得到进一步的完善。 ５ 系统的软件设计 系统的软件设计主要是完成对实验数据进行计算与 修正、用户操作界面的设计以及驱动系统各部分硬件电 路，使得系统进行有条不紊的工作；系统软件的代码是通 过ＫＥ１Ｌ４编译软件，利用Ｃ语言编写ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６ 单片机的程序来完成软件部分的设计。 ５．１软件数字滤波 系统硬件部分虽然采取了很多抗干扰提高精度的措 施，但很难彻底抑制各种干扰，为了提高系统的稳定性和 可靠性，本系统在软件设计中采用了软件数字滤波的方法 增加系统的抗干扰能力。 系统在进行测量电阻时会有随机噪声对信号产生干 扰，使得测量值在一定范围内上下波动 ，因此软件滤波 采用算术平均滤波法降低随机噪声的干扰。该方法去除 几个最大值和最小值可避免干扰很大的变异信号对测量 结果的影响，求平均值是最简单且有效的软件滤波方法。 具体的软件滤波程序流程：连续采集一组经Ａ／Ｄ转换后的 数据，将这组数据按从大到小的顺序排序，根据预先设定 的Ｎ值去除Ｎ个最大值和Ｎ个最小值后求余下的数据的 平均值，将平均值返回给主程序用于计算待测电阻的 阻值。 ５．２ 系统工作的软件流程 本系统工作流程主要为：系统初始化、数据采集控制、 数据处理、数据存储控制和显示设置；其中系统初始化主 要是ＳＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＲＢＴ６单片机 系统时钟、Ａ／Ｄ芯片、 ＴＦＴＬＣＤ液晶和ＲＴＣ实时时钟的初始化以及ＴＦＴＬＣＤ 液晶用户界面的设置，系统软件程序流图如图８所示；对 于数据信号的采集与处理地工作流程和实现方法在上文 均匀进行详细叙述。本系统的用户操作界面具有丰富的 显示内容 ］，以方便用户进行具体操作和观测具体的数 据，同时ＲＴＣ时钟模块在显示实时时钟，以方便用户在测 量电阻过程中把握好时间。 ・ ９６ ・ 图８系统软件程序的流程 在系统软件程序的设计过程中引入了上述的软件数 字滤波方法，最终完成了系统的软件部分的工作，系统能 够正常稳定的工作并且可以获得精确的待测电阻的阻值。 ６ 结 论 设计的基于电桥的高精度电阻测量系统采用电桥电 路作为电阻测量电路，利用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６单片机作为 控制核心，主要通过基准电压电路和Ａ／Ｄ模块电路实现测 量电阻数据的采集与模数转换，利用２片基准电压芯片分 别给电桥电路和Ａ／Ｄ转换芯片通过基准电压，使得电桥与 Ａ／Ｄ模块共同完成的数据采集部分的工作电路更加稳定； 同时，为了实现对电阻的高精度测量，通过硬件和软件２ 种方式共同减小了接触电阻和导线电阻的影响。系统在 测量电阻时可以通过液晶显示六位有效位数字，即精度可 达到十万分之一，分辨率为１ ｍＱ；并且提供实时时钟和 Ｆｌａｓｈ存储电路的辅助功能，方便测试者把握时间和实现 对数据的存储；另外，本文设计的系统拥有丰富用户界面， 可以进行个性化设计，它还具备测量操作简单、数据采集 稳定、灵敏度高和成本低廉等特点，在一定程度上解决了 现有的电阻测量仪器和设备对于电阻测量的精度不高以 （下转第１０３页） 吴晓娜等：扩展压电传感器频率响应范围的方法研究 Ｅｌｏ］刘彬．基于ＦＩＲ优化滤波的旋转高频信号注入法及其 应用［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１２，３３（３）：５８８—５９４． 第６期 检测技术与自动化装置。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕ８００３１＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ ［１１］ 田园，周勖．窗函数在数字滤波器设计中的应用［Ｊ］． 国外电子测量技术，２０１３，３２（４）：２５—２７． 侯小兵，１９８０年出生，讲师。主要从事机电类专业的 教学及研究工作。 作者简介 Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｉｓｓｂｉｎｇ５２１＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ 吴晓娜，１９８０年出生，硕士研究生。主要研究方向为 （上接第９６页） 及价格昂贵的问题，适用于精密电阻的测量，可以应用于多 种场合；它拥有丰富的软硬件资源，可以拓展更多的应用功 能，方便以后系统的升级。 参考文献 ［１］ 顾卓琛，张兴敢，唐岚，等．一种高精度电阻测量仪系 统设计［Ｊ］．现代电子技术，２０１２，３５（３）：１８４—１８７． ［２］ 刘筠筠，张军，赵明冬．基于ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机的自 动电阻测量仪［Ｊ］．电子技术，２０１２（３）：３１—３３． ［３］ 邓江海．基于ＬＭＳ的微电阻测量仪设计［Ｄ］．杭州： 浙江大学，２Ｏｉ２，３：１０． ［４］ 王天会．用单臂电桥测量低电阻［Ｊ］．科教文汇（下旬 刊），２０１０，１２：１０５—１０６． Ｉｓ］ 苑洁．基于ＳＴＭ３２单片机的高精度超声波测距系统 的设计［Ｄ］．保定：华北电力大学，２０１２，３：１６． ［６］ 张旭，亓学广，李世光，等．、基于ＳＴＭ３２电力数据采 集系统的设计［Ｊ］．电子测量技术，２０１０，３３（１１）： ９Ｏ一９３． ［７］ 宫明欣，吴冲．自组惠斯登电桥测电阻中的误差及分 析Ｉ－Ｊ］．大学物理实验，２０１１，２４（２）：９６—９９． ［８］ 何芹，黄朴，虞致国，等．基于平均频谱测试高速 ＡＤＣ动态参数的方法［Ｊ］．电子测量与仪器学报， ２Ｏ１４，２８（７）：７７５－７６２． ［９］ 周兴．电桥法测电阻［Ｊ］．现代商贸工业，２００９，１０： ２９１—２９２． ［ｉｏ］徐国金，吴健，温家鹏，等．基于误差分析的电池组高 精度测量系统的设计［Ｊ］．仪器仪表学报，２Ｏ１３， ３４（９）：１９８９—１９９７． ［１１］李杨，韩鹏，檀虎．几种变步长ＬＭＳ算法的性能分析 与比较［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１３，３２（１０）：２８—３０． ［１２］ 向浩，田地．微型计算机与分析仪器的通信技术研 究［Ｊ］．现代科学仪器，２０１３（６）：５１—５５． ［１３］王嗄，李小民．高精度小型无人机气压高度测量系统 的设计［Ｊ］．测控技术，２０１２，３１（２）：１２—１５，１９． －１１４］ 夏继强，郑昆，郑健峰，等．基于ＳＴＭ３２的收发一体 式超声波测距系统［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１４（８）： ４３—５２． ＇１１５］武利珍，张文超，程春荣．基于ＳＴＭ３２的便携式心电 图仪设计［Ｊ］．电子器件，２００９，３２（５）：９４６—９４９． 作者简介 何乃龙，１９８９年出生，在读硕士研究生。主要研究方 向为仪器仪表、硬件电路设计等。 沙奕卓，１９６６年出生，研究员，硕士生导师。主要研究 方向为气象综合探测、气息计量等。 行鸿彦，１９６２年出生，教授，博士生导师。主要研究方 向为微弱信号检测与处理、仪器仪表等。
