论文总字数：28389字

摘 要

电阻测量是许多应用中的基本测量物理量，不同范围不同精度的智能电阻测量技术具有广泛的宽广领域的应用需求。本文借助STM32单片机及惠斯通电桥，通过高精度的数控电位器实现量程可变电阻测量技术的实现。惠斯通电桥是该智能电阻测量技术实现的核心原理，通过比较电势差并利用其他三个已知电阻从而获得待测电阻阻值。STM32单片机则主要起到通过ADC转化来测量惠斯通电桥电势的作用，并编写程序控制数控电位器电阻值的变化和进行串行通信。LabView作为一种图形化编程软件，在本文中的作用主要作为上位机，作为展示平台。数控电位器则是可用数字信号控制电阻变化的电位器。

本项目研究电阻多种范围上精确测量的智能方法。

实验结果表明：该智能电阻测量技术基本可实现量程可变电阻测量。

本文的特色：利用数控电位器、STM32单片机、LabView等软硬件，通过惠斯通电桥原理实现量程可变电阻测量系统的设计。

关键词：惠斯通电桥；STM32单片机；数控电位器；LabView

Abstract

Resistance measurement is the basic physical quantity to be measured in many applications. Intelligent resistance measurement technology with different range and accuracy has a wide range of application requirements. In this paper, with the help of STM32 and Wheatstone bridge, the technology of variable resistance measurement is realized by means of high-precision numerical control potentiometer. Wheatstone bridge is the core principle of the intelligent resistance measurement technology. By comparing the potential difference and the use of the other three known resistances, the resistance value to be measured can be obtained. STM32 single-chip microcomputer is mainly used to measure the potential of Wheatstone bridge by ADC conversion, and the program is written to control the change of resistance value of numerical control potentiometer and carry out serial communication.As a kind of graphic programming software, LabView plays an important role in this paper as host computer and display platform. Numerical control potentiometer is a kind of potentiometer which can control the change of resistance with digital signal.

This project studies the intelligent method of precise measurement of resistance in various ranges.

The experimental results show that the intelligent resistance measurement technology can basically achieve the goal of variable resistance measurement.

The characteristics of this paper: by using the software and hardware of numerical control potentiometer, STM32 single chip computer, LabView and so on, the design of variable resistance measurement system based on the principle of Wheatstone bridge is realized.

Key Words：Wheatstone bridge；STM32 single chip computer；numerical control potentiometer；LabView

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 2

第2章 系统方案和原理 4

2.1 系统方案 4

2.1.1 研究内容及方法 4

2.1.2 实现方案 4

2.2 惠斯通电桥 5

2.2.1 惠斯通电桥原理 5

2.2.2 相关计算 6

2.2.3 误差计算及分析 7

2.3 数控电位器 8

2.3.1 数控电位器简介 8

2.3.2 数控电位器的原理及引脚图 9

2.4 LabView设计 11

2.4.1 引言 11

2.4.2 LabView部分设计 11

2.5 本章小结 14

第3章 电路图设计 15

3.1 流程图的设计 15

3.2 主要电路图 16

3.3 运行结果 17

3.5 本章小结 18

第4章 程序代码设计 19

4.1 ADC程序代码设计思路 19

4.2 切换量程部分程序代码设计思路 20

4.3 本章小结 22

第5章 结果及结论 23

5.1 结论 23

5.2 前景展望 23

参考文献 24

附录 25

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 目的及意义

电阻是在电学中最常用的物理量之一，实际中它和多种物理影响因素相关，测量电阻变化有广泛的应用。电阻的测量一直是电路研究中一个十分重要的方面。对导体的电阻值的精确测量，对电路、仪器、设备等有着极其重要的影响，而如何实现电阻的快速测量，对研究的效率，工业生产的效率等起着重要的作用。而其测量的关键在于电位器的精度和阻值是否达到要求，所以选用桥式电路搭配数控电位器来实现对元件电阻的智能精确测量。本项目研究电阻多种范围上精确测量的智能方法。

1.2 国内外研究现状

在目前的电子工业生产生活中，电子元器件的数量正在逐渐增加，电阻作为电学的基本量，经常需要测量元器件的电阻值，这也就导致电阻测量的方法途径等等多种多样，为了提升电阻测量的方便性、快捷性、精确度等等，我们需要设计一个可靠的电组测量仪。

在电阻的测量上提出了许多方案，常用的有欧姆表、伏安法、等效替代法和桥式电路等。综合比较来说，欧姆表、伏安法本质是对欧姆定理的使用，通过测量通过元件的电流电阻，通过计算得到电阻值，其精确度受到的影响因素多，提高精度方法有限。等效替代法和桥式电路都更加依赖于元件本身的精确度。

根据惠斯通电桥原理，国外许多研究者都提出了各种不同的电阻测量实现方案及许多不同的应用途径：

零位法比偏转法，在不需要高速测量的情况下，由于零位法比偏转法具有一些固有的优点，惠斯通电桥零位测量仪优于采用偏转技术的惠斯通电桥零位测量仪。外国学者在文中介绍了一种完全模拟的方法，用一个电阻传感器来实现电阻性惠斯通电桥的零位测量。为了实现该电路，只使用了两个运算放大器和一些无源元件。该方法不受任何限制，可由离散分量构造和实现。这种方法具有线性输出，大大减少了测量和显示所需的计算量^[1]。使用商用现货（COTS）组件设计出的用于惠斯通电桥传感器的直接数字转换器。在二阶连续时间sigma-delta调制器中嵌入电桥传感器，提高了读出电路的功率效率，是通过在电流模式下直接数字化惠斯通电桥的输出信号，第一积分器中的运算放大器和电桥传感器控制噪声^[2]。在0.18μm商业CMOS工艺中，设计了一种全模拟、片上、低输入偏置、低噪声、可变增益的测量放大器，提出了一种传感器灵敏度和偏置非线性动态温度补偿的新方案。所有的传感器非理想性和CMOS工艺失配都已被纳入仿真中。利用该接口电路，设计了一种智能MEMS压阻式加速度计^[3]。典型惠斯通电桥的输出，当它与一个或两个电阻元件相连进行测量时，具有非线性特性。因此，为了克服非线性性，提出了一种新方案，适当增大双斜坡模数转换器（DSADC）的输入级，以合并包含电阻传感器的四分之一桥和（或）半桥，作为DSADC的组成部分。将电流模式激励和DSADC的明智选择的积分和去积分操作结合起来，能够在数字化过程中实现线性化，从而在保持高精度不变的情况下，整体上降低了复杂度和使用的块数^[4]。也有人提出了一种新型的基于微电机系统电阻式传感器读出接口的等效桥接电阻^[5]。

在物理学的研究学习中，我们有许多常用的方法，其中之一就是比较法。而比较法的一个典型的实例就是。在电学的许多领域如测量基本量，调节控制等等均有很大的应用，惠斯通电桥因其结构简单、使用方便成为了单臂电桥中的用途十分广泛的典型应用。惠斯通电桥不仅可以让测量的杨氏模量更加精确，获得称重精确度很高的的称重传感器，而且在医学上的诊断与某些检查测量仪器中也有很大程度上的应用^[6]。在测量芯片功能模块的流体阻力时，提出了一种类比于惠斯通电桥测量不同流阻大小的器件，该器件将一个芯片内的膜阀视为可变流阻器,与待测器件并联。通过施加不同的压力，控制膜阀的开口度，保持桥平衡，直接计算获得待测芯片的流阻大小^[7]。惠斯通电桥发展至今，为了提升测量的精度，在电桥上采用了一种精确度很高灵敏度也高的电势检流计，这样虽然能提升准确的，但是由于电桥的自身构成和元器件本身等原因的影响，难免对测量产生影响，因而对影响惠斯通电桥的因素的研究对于提高惠斯通电桥的灵敏度有重要意义^[8]。

国内有学者研究了一种利用计算机技术的惠斯通电桥测量电阻方案，研究了一种利用计算机技术的惠斯通电桥测量电阻方案，该方案由计算机、测量软件、嵌入式处理器、电桥电路、高精度数控电阻箱组成，利用嵌入式处理器模块实现上下位机实时通讯，计算机控制下位机电桥电路调节平衡并采集电桥平衡时的测量数据，实现计算机自动采集测量数

据，完成数据处理及存储。该方案克服了传统的测量方法上存在的测量的精度相对较低、数据处理起来费时费力等缺陷，而基于单片机的方法在这些方面上虽然略有改进，但相对来说仍旧不足之处^[9]。惠斯通电桥采用的电势检流计，由于其无法显示具体数值等特性，会对实验结果带来极大的不便，倘若将其用数字式仪表代替，不仅给实验的操作带来很多方便外，还能大大提高实验的测量精度^[10]。

1.3 课题研究内容

电阻测量技术在许多领域都有十分广泛的应用，而为此国内外学者都对此进行了研究。传统电阻测量技术虽然简单但是却存在着测量精度差等等诸多缺点；惠斯通电桥技术在测量电阻时可以很大程度上提升测量精度。惠斯通电桥作为单臂电桥的一种典型电路，其不仅在电阻测量上有很广泛的应用，在其他的领域也有着很大的作用。本文设计的电阻测量系统是建立在惠斯通电桥原理上的电阻测量系统，以可存储的电阻可变的数控电位器为惠斯通电桥的一部分，通过STM32单片机编程控制，将计算值输出到labview上位机上进行显示。与传统电阻测量系统不同，该智能电阻测量系统利用惠斯通电桥原理，因此测量精度相对较高，而且基本可实现量程可变。

本文主要分为五章，第一章内容是绪论，主要介绍本篇文章的课题背景与意义；第二章主要介绍设计方案以及基本原理，介绍了惠斯通电桥、数控电位器及LabView的基本原理及设计；第三章主要介绍电路图的绘制及连线布局；第四章介绍STM32单片机的库函数及ADC和串行通信函数；第五章是对本文的研究内容进行总结，对于未来的研究方向进行展望。

第2章 系统方案和原理

2.1 系统方案

要设计一个可行性高、精确度高的电阻测量系统，首先要对设计的系统的原理及方法进行参考学习，形成设计方案，再根据需要设计的内容按照顺序依次解决，最终完成设计目标。

2.1.1 研究内容及方法

（1）研究电阻测量的物理原理和智能测量方法；

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