周旭陽(yáng)　梅孝安　朱玉軍　楊中華　范春波　趙艷杰

摘要：該文設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了一套智能沖擊電流計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)為主控芯片，ADS7886為A/D芯片。該系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)數(shù)字沖擊電流計(jì)的功能，還配有基于繼電器的智能開(kāi)關(guān)電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能精確測(cè)量高電阻。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；沖擊電流計(jì)；高阻測(cè)量；智能開(kāi)關(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）07-1605-03

1 概述

沖擊電流計(jì)能測(cè)量脈沖的電量，因而常用來(lái)測(cè)量與電量有關(guān)的物理量，如磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容、高電阻等，在工程生產(chǎn)與精密測(cè)量領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。目前沖擊電流計(jì)的發(fā)展正由傳統(tǒng)機(jī)械式向電子數(shù)字式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)機(jī)械式電流計(jì)的雖然靈敏度很高，但極易受外界振動(dòng)的影響，使用時(shí)應(yīng)將它固定安裝在穩(wěn)固位置或堅(jiān)實(shí)墻壁上，操作復(fù)雜，使用非常不方便。數(shù)字式?jīng)_擊電流計(jì)是使用大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運(yùn)算放大器及優(yōu)質(zhì)電子元器件組成的數(shù)字式測(cè)量?jī)x表，它主要用于測(cè)量短時(shí)間內(nèi)脈沖所遷移的電量，故可用來(lái)測(cè)量與此相關(guān)的物理量。數(shù)字沖擊電流計(jì)用數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，讀數(shù)清晰，它相比傳統(tǒng)的沖擊電流計(jì)有無(wú)論是在操作性還是結(jié)果的準(zhǔn)確性上都有很大的提高。但由于數(shù)字沖擊電流計(jì)使用了大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運(yùn)算放大器及優(yōu)質(zhì)電子元器件，價(jià)格昂貴，一臺(tái)設(shè)備的價(jià)格大概在3000元左右。我們利用MSP430單片機(jī)、ADS7886高速A/D芯片、繼電器以及LCD12864等外圍器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)出一套能精準(zhǔn)控時(shí)的數(shù)字智能沖擊電流計(jì)，此電流計(jì)價(jià)格成本低，測(cè)量精確，功能強(qiáng)大。利用此儀器附加其他設(shè)備，就可以精確的測(cè)量電量、高電阻、電容以及磁場(chǎng)強(qiáng)度，具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

沖擊電流計(jì)可以測(cè)量在暫短時(shí)間內(nèi)流經(jīng)它的脈沖電流所遷移的電量。本項(xiàng)目利用現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)與高速A/D芯片采用全新的思想設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一套智能沖擊電流計(jì)。下面以充滿(mǎn)電的電容放電為例說(shuō)明其設(shè)計(jì)思想。電容放電時(shí)其電量的變化情況如圖1所示。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的沖擊電流計(jì)能測(cè)量出暫短時(shí)間內(nèi)流經(jīng)它的脈沖電流所遷移的電量。設(shè)計(jì)思想是：如要測(cè)出t1～t2時(shí)間內(nèi)遷移的電量，則在t1～t2時(shí)間內(nèi)取樣，利用高速A/D芯片通過(guò)單片機(jī)測(cè)出其電壓值，計(jì)算出其電流值，乘以間隔時(shí)間，即可得到間隔期間的電量值，最后把所測(cè)得的電量Q累加起來(lái)，即得到所要的遷移電量，最后通過(guò)LCD12864顯示所測(cè)電量值。毫無(wú)疑問(wèn)，取樣間隔時(shí)間越短，測(cè)量精度越高，但對(duì)A/D芯片的要求也越高，為此我們特意選擇了MSP430加ADS7886的方案組合。

沖擊電流計(jì)一個(gè)典型的應(yīng)用是用電容漏電法精確測(cè)量高電阻。高電阻一般指100萬(wàn)歐以上的電阻，由于惠更斯電橋靈敏度有限，因此高電阻一般不能也不宜用它作精確測(cè)量。但用漏電法能比較精確地測(cè)量高電阻，其測(cè)量原理如圖2所示。測(cè)量方法是將被測(cè)電阻R與已知電容C并聯(lián)，將SW_3撥至c端先將電容器充滿(mǎn)電（狀態(tài)A），再將開(kāi)關(guān)SW_3懸空至b，電容器上的電荷將通過(guò)高電阻R泄漏（狀態(tài)B），最后將SW_3撥至a端測(cè)出電容所剩電量（狀態(tài)C）。我們通過(guò)精確控制漏電的時(shí)間并測(cè)出剩余電量就能通過(guò)計(jì)算得出高電阻的阻值。目前工程上大多利用秒表手工控制漏電的時(shí)間，即開(kāi)關(guān)動(dòng)手與秒表手工停啟，實(shí)驗(yàn)誤差非常大。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能沖擊電流還設(shè)有智能開(kāi)關(guān)控制器模塊，該模塊利用單片機(jī)定時(shí)系統(tǒng)和繼電器電磁開(kāi)關(guān)能進(jìn)行精確的定時(shí)控制，用戶(hù)可以隨意設(shè)定電容充電的時(shí)間、電容對(duì)電阻放電的時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)完成各種狀態(tài)的切換，測(cè)量精度非常高。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)主要包括MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤(pán)模塊、充放電開(kāi)關(guān)模塊、顯示模塊和A/D采樣模塊的電路設(shè)計(jì)。

1）MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊。MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示，由MSP430單片機(jī)、電源電路和晶振電路構(gòu)成。MSP430系列單片機(jī)為16位的采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)功能強(qiáng)大的單片機(jī)。MSP430 系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。由于其16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，所以運(yùn)算速度相對(duì)傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)非?？臁?/p>

2）鍵盤(pán)控制模塊。鍵盤(pán)控制模塊如圖4所示，由4個(gè)按鍵電路組成，分別連接到單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3口，其作用分別是狀態(tài)切換、加、減、開(kāi)始。默認(rèn)的狀態(tài)是狀態(tài)A為設(shè)置充電時(shí)間，當(dāng)按一下?tīng)顟B(tài)切換鍵是轉(zhuǎn)到狀態(tài)B為設(shè)置放電時(shí)間，再按一下?tīng)顟B(tài)切換鍵轉(zhuǎn)到狀態(tài)C為設(shè)定沖擊電流計(jì)測(cè)量的時(shí)間，所有的時(shí)間都可以用加減鍵來(lái)設(shè)定。按下開(kāi)始鍵，系統(tǒng)將按設(shè)定的時(shí)間在三種狀態(tài)按順序自動(dòng)切換。S5為MSP430的復(fù)位按鍵。

5）A/D采樣模塊。該模塊采用ADS7886為A/D采樣芯片，并且單獨(dú)用芯片REF 3030提供3V的基準(zhǔn)電壓以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。ADS7886是12位串行高速A/D芯片，其第3腳為采樣模擬信號(hào)輸入，模擬信號(hào)采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)單片機(jī)讀取。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)Keil uVision4編譯。軟件設(shè)計(jì)的思想是先進(jìn)行定時(shí)器中斷設(shè)置及其它的初始化工作，然后對(duì)按鍵輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并將數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)處理，最后確認(rèn)數(shù)據(jù)并按設(shè)定時(shí)間在充電、漏電和放電三種狀態(tài)間自動(dòng)切換。系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

4 總結(jié)

本文中，我們利用了MSP430低功耗單片機(jī)、高速A/D芯片、繼電器以及LCD12864等外圍器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)出了一套數(shù)字智能沖擊電流計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的創(chuàng)新與特色點(diǎn)如下：（1）功耗低，主控制器MSP430和ADC是低功耗芯片，軟件可實(shí)現(xiàn)休眠模式。（2）精度高，采用的AD芯片ADS7886是12位，并且單獨(dú)用芯片REF 3030提供3V的基準(zhǔn)電壓。（3）功能強(qiáng)，采用LCD12864，顯示信息多，通過(guò)軟件編程可增加歷史記錄、連續(xù)多次測(cè)量等等。該系統(tǒng)所采用的芯片與技術(shù)非常成熟，成本低，相比較現(xiàn)在市場(chǎng)上幾千元的數(shù)字沖擊電流計(jì)具有極大的成本優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)在湖南理工學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生進(jìn)行了多批次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用，對(duì)高電阻測(cè)量的結(jié)果比較準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)效果好。

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