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基于嵌入式单片机控制的生物电阻测试仪

作者:易万 罗晶 来源:电子技术与软件工程 论文栏目:计算机论文     更新时间:2019-05-15   浏览

本学术论文《基于嵌入式单片机控制的生物电阻测试仪》,转载自学术期刊《电子技术与软件工程》2014年12期 发表过的职称 论文,原文作者:易万罗晶,由中国学术论文网编辑整理录入,仅供您在嵌入式单片控制,电阻,高阻值,生物电阻测试仪等方面参考学习。

易万罗晶

摘 要

由于生物体电阻的变化范围超出了传统电阻测试仪的测试范围,只有使用专用的电阻测试仪才能得到较为准确的测试结果。文章首先介绍了基于嵌入式单片机控制的电阻测试仪的系统结构,并对电阻测量电路以及可程控基准源做简单的介绍;最后对影响直流检测和交流检测的影响因素和改进方案提出了自己的看法。

【关键词】嵌入式单片控制 电阻 高阻值 生物电阻测试仪

生物电阻测试仪是一种用于测试生物体在外界环境变化时的电阻值的电子工具,生物电阻测试仪和传统电阻测试仪有很大的不同。传统的电阻测试仪的作用在于检查电气安全以及接地工竣工验收时的必备电子工具,传统的电阻测试仪有一定的缺点,传统电阻测试仪只能在直流偏置情况下才能测量电阻值;传统电阻测试仪能够测量的电阻值范围也较低,一般的电阻测试仪只能检测20MΩ的电阻。然而生物体的电阻会随着外界环境的变化而变化,生物体电阻值变化范围在数百KΩ至数十MΩ之间,远远超出传统电阻测试仪的检测范围。不仅如此,传统电阻测试仪不具备改变生物的外界环境的功能,因而传统电阻测试仪也不能检测生物体电阻的变化情况。因此,有必要使用特制的生物电阻测试仪检测生物的电阻。

1 系统结构

电阻测试仪主要由5部分组成:基于嵌入式单片机控制系统、测试电路、串行接口、可程控基准源、键盘显示电路,具体如图1所示。通过程控基准在单片机控制系统的控制下可以实现稳定输出直流或脉冲信号,加到测量电路后,信号在ADC通道内完成模数转换,并存储在FLASH ROM内,再经显示器显示所得的电阻值。电阻测试仪可以通过接口连接外置计算机系统,通过计算机控制测试电阻的过程,计算机再将电阻测试结构传送至计算机显示器。电阻测量电路和程控基准是生物电阻测试仪结构中比较有特色的部分。

1.1 电阻测量电量

由于生物体电阻值变化幅度较大,而却还需要进行交流测量,因此在设计电阻测量电阻时可采用分段测点电路设计方式。

1.1.1 电阻值不高于1MΩ

如果测量的电阻值低于1KΩ,可采用电桥电路测量法和直接分压电路测量法,这两种方法都可以保证电阻测量仪的测量精度。尽管可以提高测量精度,但是待测量电阻值的变化范围依旧较大,因而在使用以上两种电阻测量时还应该使用分档的方式,既以待测电路特性为依据,待测电路分为不同的档次,但是分档后会增加测量的复杂性,因此可以适当使用分压方法进行测量,测量结果更加精确,线性度也更为理想。

1.1.2 电阻值高于1MΩ

如果电阻值高于1MΩ,电流会随着电阻的增大而减小,但是会增加纹波的影响作用,交流测量电阻更是如此。一旦频率升高,电流的波形会发生畸变,从而影响电阻仪测试的精确度。而且波形的畸变程度会随着频率的升高而增加,在高频率下,放大电路也不能精确测试高阻值电阻。因此在测量电阻值高于1MΩ时不能使用串联的测量电路,而需要使用并联的测量电路,只有这样才能保证及时电阻值在不断的增大,第一级输入电流也不会随着电阻值的增大而变小,从而削弱寄生电容不能完全充放电对测量的影响作用。除此之外,待测电阻会随和输出电压的变化向相反的方向变化,为单片机编程快速计算待测电阻提供了便利。

1.2 可程控基准源

可程控基准源由运放和齐纳管两部分组成,单片机定时器的定时信号产生的脉冲信号是基准源实现可程控功能的关键,基准源需要依靠脉冲信号控制运放的电源。脉冲信号处电平水平不同时,运放会处于不同的工作状态,运放输出的电压也不同。当脉冲信号处于高电平水平时,运放会正常工作,并稳定输出2.5V电压;当脉冲信号处于低电平水平时,运放会停止正常工作,并停止输出电压。脉冲信号的电压就可以作为生物电阻的测量信号。

2 生物电阻测试仪电路评价

2.1 直流测试评价

2.1.1 影响测试结果的因素

影响直流测试精度的影响因素大致可以分为两个。一是在测试电阻不断增加的情况下,电阻测试电路的采样信号幅度会随着电阻的增加反而变小,采样信号幅度变小后,叠加在采样信号上的纹波对测试结果的影响作用更明显。二是随着生物体待测电阻值不断增加,并且增加到上百MΩ时,待测电阻的阻值和测试电路运放的输入内阻的影响会放大,并对测量结果产生一定的影响,造成得到的电阻值和实际电阻值存在一定的误差。

2.1.2 改进方法

改进方法也有两个。一是使用干扰影响更小的电源和使用抗阻能力更强的放大器,电源干扰作用更小,电路部分的纹波也会更小,放大器的抗阻能力越强,当待测电阻的电阻值较高时,内阻对测试结果的影响就越小。二是对AD采用的数据进行软件数字滤波处理,电阻测试结果的准确性和稳定性可以得到大幅度提升。

2.2 交流测试评价

在频率升高的情况下,影响角力测试精度的主要影响因素只有一个:测试电路的RC时间。在高频率情况下,测试电路计生电容会造成波形出现畸变,频率越高,波形畸变的程度越严重,从而导致在高频率情况下高阻值的电阻测量结果准确性不高。

3 结语

虽然生物电阻测试仪有精确度较高的检测结果,在模拟生物体电阻测试实验中发现在频率为1KHz的情况下,生物体电阻变化范围在5MΩ至20MΩ的测试精度较低,因此生物电阻测试仪还需要不断的改进,实现在任何频率精确测量生物体电阻值。

参考文献

[1]王斌,金潞.接地导通电阻测试仪测量结果不确定度评定[J].中国计量,2011(06).

[2]秦辉,李静,董蓓蓓,刘艳霞,张晓光,马术才. 全自动数字万用表的设计[J].自动化与仪表,2010(01).

[3]陈德益.基于嵌入式单片机的电机控制系统设计[J].计算机仿真,2010(01).

作者单位

天津科技大学 天津市 300222

摘 要

由于生物体电阻的变化范围超出了传统电阻测试仪的测试范围,只有使用专用的电阻测试仪才能得到较为准确的测试结果。文章首先介绍了基于嵌入式单片机控制的电阻测试仪的系统结构,并对电阻测量电路以及可程控基准源做简单的介绍;最后对影响直流检测和交流检测的影响因素和改进方案提出了自己的看法。

【关键词】嵌入式单片控制 电阻 高阻值 生物电阻测试仪

生物电阻测试仪是一种用于测试生物体在外界环境变化时的电阻值的电子工具,生物电阻测试仪和传统电阻测试仪有很大的不同。传统的电阻测试仪的作用在于检查电气安全以及接地工竣工验收时的必备电子工具,传统的电阻测试仪有一定的缺点,传统电阻测试仪只能在直流偏置情况下才能测量电阻值;传统电阻测试仪能够测量的电阻值范围也较低,一般的电阻测试仪只能检测20MΩ的电阻。然而生物体的电阻会随着外界环境的变化而变化,生物体电阻值变化范围在数百KΩ至数十MΩ之间,远远超出传统电阻测试仪的检测范围。不仅如此,传统电阻测试仪不具备改变生物的外界环境的功能,因而传统电阻测试仪也不能检测生物体电阻的变化情况。因此,有必要使用特制的生物电阻测试仪检测生物的电阻。

1 系统结构

电阻测试仪主要由5部分组成:基于嵌入式单片机控制系统、测试电路、串行接口、可程控基准源、键盘显示电路,具体如图1所示。通过程控基准在单片机控制系统的控制下可以实现稳定输出直流或脉冲信号,加到测量电路后,信号在ADC通道内完成模数转换,并存储在FLASH ROM内,再经显示器显示所得的电阻值。电阻测试仪可以通过接口连接外置计算机系统,通过计算机控制测试电阻的过程,计算机再将电阻测试结构传送至计算机显示器。电阻测量电路和程控基准是生物电阻测试仪结构中比较有特色的部分。

1.1 电阻测量电量

由于生物体电阻值变化幅度较大,而却还需要进行交流测量,因此在设计电阻测量电阻时可采用分段测点电路设计方式。

1.1.1 电阻值不高于1MΩ

如果测量的电阻值低于1KΩ,可采用电桥电路测量法和直接分压电路测量法,这两种方法都可以保证电阻测量仪的测量精度。尽管可以提高测量精度,但是待测量电阻值的变化范围依旧较大,因而在使用以上两种电阻测量时还应该使用分档的方式,既以待测电路特性为依据,待测电路分为不同的档次,但是分档后会增加测量的复杂性,因此可以适当使用分压方法进行测量,测量结果更加精确,线性度也更为理想。

1.1.2 电阻值高于1MΩ

如果电阻值高于1MΩ,电流会随着电阻的增大而减小,但是会增加纹波的影响作用,交流测量电阻更是如此。一旦频率升高,电流的波形会发生畸变,从而影响电阻仪测试的精确度。而且波形的畸变程度会随着频率的升高而增加,在高频率下,放大电路也不能精确测试高阻值电阻。因此在测量电阻值高于1MΩ时不能使用串联的测量电路,而需要使用并联的测量电路,只有这样才能保证及时电阻值在不断的增大,第一级输入电流也不会随着电阻值的增大而变小,从而削弱寄生电容不能完全充放电对测量的影响作用。除此之外,待测电阻会随和输出电压的变化向相反的方向变化,为单片机编程快速计算待测电阻提供了便利。

1.2 可程控基准源

可程控基准源由运放和齐纳管两部分组成,单片机定时器的定时信号产生的脉冲信号是基准源实现可程控功能的关键,基准源需要依靠脉冲信号控制运放的电源。脉冲信号处电平水平不同时,运放会处于不同的工作状态,运放输出的电压也不同。当脉冲信号处于高电平水平时,运放会正常工作,并稳定输出2.5V电压;当脉冲信号处于低电平水平时,运放会停止正常工作,并停止输出电压。脉冲信号的电压就可以作为生物电阻的测量信号。

2 生物电阻测试仪电路评价

2.1 直流测试评价

2.1.1 影响测试结果的因素

影响直流测试精度的影响因素大致可以分为两个。一是在测试电阻不断增加的情况下,电阻测试电路的采样信号幅度会随着电阻的增加反而变小,采样信号幅度变小后,叠加在采样信号上的纹波对测试结果的影响作用更明显。二是随着生物体待测电阻值不断增加,并且增加到上百MΩ时,待测电阻的阻值和测试电路运放的输入内阻的影响会放大,并对测量结果产生一定的影响,造成得到的电阻值和实际电阻值存在一定的误差。

2.1.2 改进方法

改进方法也有两个。一是使用干扰影响更小的电源和使用抗阻能力更强的放大器,电源干扰作用更小,电路部分的纹波也会更小,放大器的抗阻能力越强,当待测电阻的电阻值较高时,内阻对测试结果的影响就越小。二是对AD采用的数据进行软件数字滤波处理,电阻测试结果的准确性和稳定性可以得到大幅度提升。

2.2 交流测试评价

在频率升高的情况下,影响角力测试精度的主要影响因素只有一个:测试电路的RC时间。在高频率情况下,测试电路计生电容会造成波形出现畸变,频率越高,波形畸变的程度越严重,从而导致在高频率情况下高阻值的电阻测量结果准确性不高。

3 结语

虽然生物电阻测试仪有精确度较高的检测结果,在模拟生物体电阻测试实验中发现在频率为1KHz的情况下,生物体电阻变化范围在5MΩ至20MΩ的测试精度较低,因此生物电阻测试仪还需要不断的改进,实现在任何频率精确测量生物体电阻值。

参考文献

[1]王斌,金潞.接地导通电阻测试仪测量结果不确定度评定[J].中国计量,2011(06).

[2]秦辉,李静,董蓓蓓,刘艳霞,张晓光,马术才. 全自动数字万用表的设计[J].自动化与仪表,2010(01).

[3]陈德益.基于嵌入式单片机的电机控制系统设计[J].计算机仿真,2010(01).

作者单位

天津科技大学 天津市 300222

摘 要

由于生物体电阻的变化范围超出了传统电阻测试仪的测试范围,只有使用专用的电阻测试仪才能得到较为准确的测试结果。文章首先介绍了基于嵌入式单片机控制的电阻测试仪的系统结构,并对电阻测量电路以及可程控基准源做简单的介绍;最后对影响直流检测和交流检测的影响因素和改进方案提出了自己的看法。

【关键词】嵌入式单片控制 电阻 高阻值 生物电阻测试仪

生物电阻测试仪是一种用于测试生物体在外界环境变化时的电阻值的电子工具,生物电阻测试仪和传统电阻测试仪有很大的不同。传统的电阻测试仪的作用在于检查电气安全以及接地工竣工验收时的必备电子工具,传统的电阻测试仪有一定的缺点,传统电阻测试仪只能在直流偏置情况下才能测量电阻值;传统电阻测试仪能够测量的电阻值范围也较低,一般的电阻测试仪只能检测20MΩ的电阻。然而生物体的电阻会随着外界环境的变化而变化,生物体电阻值变化范围在数百KΩ至数十MΩ之间,远远超出传统电阻测试仪的检测范围。不仅如此,传统电阻测试仪不具备改变生物的外界环境的功能,因而传统电阻测试仪也不能检测生物体电阻的变化情况。因此,有必要使用特制的生物电阻测试仪检测生物的电阻。

1 系统结构

电阻测试仪主要由5部分组成:基于嵌入式单片机控制系统、测试电路、串行接口、可程控基准源、键盘显示电路,具体如图1所示。通过程控基准在单片机控制系统的控制下可以实现稳定输出直流或脉冲信号,加到测量电路后,信号在ADC通道内完成模数转换,并存储在FLASH ROM内,再经显示器显示所得的电阻值。电阻测试仪可以通过接口连接外置计算机系统,通过计算机控制测试电阻的过程,计算机再将电阻测试结构传送至计算机显示器。电阻测量电路和程控基准是生物电阻测试仪结构中比较有特色的部分。

1.1 电阻测量电量

由于生物体电阻值变化幅度较大,而却还需要进行交流测量,因此在设计电阻测量电阻时可采用分段测点电路设计方式。

1.1.1 电阻值不高于1MΩ

如果测量的电阻值低于1KΩ,可采用电桥电路测量法和直接分压电路测量法,这两种方法都可以保证电阻测量仪的测量精度。尽管可以提高测量精度,但是待测量电阻值的变化范围依旧较大,因而在使用以上两种电阻测量时还应该使用分档的方式,既以待测电路特性为依据,待测电路分为不同的档次,但是分档后会增加测量的复杂性,因此可以适当使用分压方法进行测量,测量结果更加精确,线性度也更为理想。

1.1.2 电阻值高于1MΩ

如果电阻值高于1MΩ,电流会随着电阻的增大而减小,但是会增加纹波的影响作用,交流测量电阻更是如此。一旦频率升高,电流的波形会发生畸变,从而影响电阻仪测试的精确度。而且波形的畸变程度会随着频率的升高而增加,在高频率下,放大电路也不能精确测试高阻值电阻。因此在测量电阻值高于1MΩ时不能使用串联的测量电路,而需要使用并联的测量电路,只有这样才能保证及时电阻值在不断的增大,第一级输入电流也不会随着电阻值的增大而变小,从而削弱寄生电容不能完全充放电对测量的影响作用。除此之外,待测电阻会随和输出电压的变化向相反的方向变化,为单片机编程快速计算待测电阻提供了便利。

1.2 可程控基准源

可程控基准源由运放和齐纳管两部分组成,单片机定时器的定时信号产生的脉冲信号是基准源实现可程控功能的关键,基准源需要依靠脉冲信号控制运放的电源。脉冲信号处电平水平不同时,运放会处于不同的工作状态,运放输出的电压也不同。当脉冲信号处于高电平水平时,运放会正常工作,并稳定输出2.5V电压;当脉冲信号处于低电平水平时,运放会停止正常工作,并停止输出电压。脉冲信号的电压就可以作为生物电阻的测量信号。

2 生物电阻测试仪电路评价

2.1 直流测试评价

2.1.1 影响测试结果的因素

影响直流测试精度的影响因素大致可以分为两个。一是在测试电阻不断增加的情况下,电阻测试电路的采样信号幅度会随着电阻的增加反而变小,采样信号幅度变小后,叠加在采样信号上的纹波对测试结果的影响作用更明显。二是随着生物体待测电阻值不断增加,并且增加到上百MΩ时,待测电阻的阻值和测试电路运放的输入内阻的影响会放大,并对测量结果产生一定的影响,造成得到的电阻值和实际电阻值存在一定的误差。

2.1.2 改进方法

改进方法也有两个。一是使用干扰影响更小的电源和使用抗阻能力更强的放大器,电源干扰作用更小,电路部分的纹波也会更小,放大器的抗阻能力越强,当待测电阻的电阻值较高时,内阻对测试结果的影响就越小。二是对AD采用的数据进行软件数字滤波处理,电阻测试结果的准确性和稳定性可以得到大幅度提升。

2.2 交流测试评价

在频率升高的情况下,影响角力测试精度的主要影响因素只有一个:测试电路的RC时间。在高频率情况下,测试电路计生电容会造成波形出现畸变,频率越高,波形畸变的程度越严重,从而导致在高频率情况下高阻值的电阻测量结果准确性不高。

3 结语

虽然生物电阻测试仪有精确度较高的检测结果,在模拟生物体电阻测试实验中发现在频率为1KHz的情况下,生物体电阻变化范围在5MΩ至20MΩ的测试精度较低,因此生物电阻测试仪还需要不断的改进,实现在任何频率精确测量生物体电阻值。

参考文献

[1]王斌,金潞.接地导通电阻测试仪测量结果不确定度评定[J].中国计量,2011(06).

[2]秦辉,李静,董蓓蓓,刘艳霞,张晓光,马术才. 全自动数字万用表的设计[J].自动化与仪表,2010(01).

[3]陈德益.基于嵌入式单片机的电机控制系统设计[J].计算机仿真,2010(01).

作者单位

天津科技大学 天津市 300222

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