【分享】+张正炀+基于STC89C52的多量程电阻测量系统设计

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一、设计简介

1.1 项目背景与目标在电子实验、设备维修及教学实践中，电阻测量是一项基础且频繁的操作。传统万用表在超高阻值测量时精度下降，且无法实现自动化数据记录。本项目旨在开发一款基于嵌入式系统的电阻测量仪，具备宽量程、自动切换、直观显示和低成本的特点，作为传统仪表的补充或嵌入式测控模块。本项目设计并实现了一种高性价比、宽量程的智能电阻测量系统。系统以STC89C52RC单片机为核心，复用XPT2046ADC芯片实现模数转换，采用CD4051BE模拟开关切换参考电阻网络，从而将测量量程扩展至10kΩ至20MΩ。测量结果通过迪文串口屏实时显示，系统具备自动量程切换功能。设计报告详细阐述了方案选择、硬件电路设计、软件算法开发、系统调试与校准的全过程。最终测试表明，系统在各量程内测量误差可控制在±5%以内，运行稳定，达到了设计要求。

1.2 系统功能概述第一，宽量程测量：覆盖1kΩ至20MΩ范围，分为三个子量程。
第二，自动量程切换：根据被测电阻大小，自动选择最佳测量档位。
第三，实时显示：通过彩色串口屏直观显示电阻值（两位整数、两位小数）及当前量程。
第四，基础通信：预留串口调试接口，可输出原始ADC数据，便于校准与诊断。

1.3 设计指标
量程范围：1kΩ ~ 20MΩ (10kΩ， 100kΩ， 1MΩ三档)。
显示分辨率：0.01kΩ (即10Ω)。
测量精度：≤ ±5% (在标准电源与校准后)。
显示界面：迪文屏，显示电阻值与量程状态。
供电电压：DC 5V (±5%)。
核心控制器：STC89C52RC。

二、方案选择

2.1 核心控制器选择
选用STC89C52RC单片机。理由：其资源丰富（8KB Flash， 512B RAM， 32个I/O口），完全满足本项目对SPI模拟、UART通信和逻辑控制的需求；且价格低廉，开发资料齐全，易于快速实现。

2.2 ADC转换方案选择
选用XPT2046芯片。理由：作为四线电阻触摸屏控制器，其内部集成了一个12位、125kHz采样率的SAR ADC。通过将其模拟输入通道复用为电阻分压测量点，可以极低成本获得精密ADC功能，无需额外采购专用ADC芯片，大大简化了硬件设计。

2.3 量程扩展方案选择
选用CD4051BE 8通道模拟开关。理由：与被考虑的继电器方案相比，模拟开关具有无机械触点、寿命长、切换速度快、体积小、驱动简单的优点。CD4051BE的导通电阻（约100Ω）在测量较大电阻时引入的误差百分比很小，在可接受范围内。通过其切换不同的参考电阻（1MΩ， 100kΩ， 10kΩ），即可实现量程扩展。

2.4 人机交互方案选择
选用迪文DGUS串口屏。理由：与传统LCD屏+按键方案相比，串口屏将显示驱动和图形处理封装在屏内，单片机只需通过串口发送简单的指令和数据即可控制显示，极大地减轻了单片机的负担，简化了软件设计，并能实现更美观的界面。

2.5 最终系统流程
系统工作流程如下：待测电阻接入由CD4051公共输出端和参考电阻构成的分压电路。单片机通过P2.0-P2.2控制CD4051，选择接入1MΩ、100kΩ或10kΩ参考电阻。分压点电压送入XPT2046的IN3通道。单片机通过P3.4-P3.7模拟SPI协议读取XPT2046转换的ADC值。单片机内部程序根据ADC值计算电阻，并通过P3.1(TXD)以115200波特率将结果和量程信息发送给迪文屏显示。

三．硬件部分

3.1 核心控制电路
采用典型的STC89C52最小系统：11.0592MHz晶振（为产生精确串口波特率）、上电复位电路、EA引脚接VCC。电源入口处并联100μF电解电容和0.1μF陶瓷电容进行退耦。

3.2 电阻测量与ADC电路
这是系统的核心模拟前端。
分压原理：基本测量原理为电阻分压法。待测电阻(Rx)与已知参考电阻(Rref)串联于VCC与GND之间，测量两者的连接点电压(Vmeasure)。公式为：V_measure = (Rx / (Rref + Rx)) × VCC。由此可反推：Rx = (V_measure × Rref) / (VCC - V_measure)。
XPT2046连接：其IN3通道（Pin 7）连接至分压测量点。VREF引脚（Pin 12）连接独立的5V参考源，决定ADC量程。单片机通过P3.4-P3.7引脚模拟SPI协议与其通信。

3.3 量程切换电路
这是实现多量程的关键。
CD4051BE配置：工作在单电源模式。VDD接+5V，VSS和VEE接GND，INH使能端接地。地址线A、B、C（Pins 11，10，9）由单片机P2.0、P2.1、P2.2控制。
参考电阻网络：三个精密金属膜电阻（1MΩ， 100kΩ， 10kΩ， 精度1%）一端共同接VCC，另一端分别接CD4051的通道输入端Ch2（Pin13）、Ch1（Pin14）、Ch0（Pin15）。
输出连接：CD4051的公共输出端COM（Pin 3）连接至测量点（即XPT2046的IN3和待测电阻Rx的一端）。
切换逻辑：目标量程1（10kΩ档）对应参考电阻10kΩ，CD4051控制CBA=000，单片机P2.2，P2.1，P2.0输出（0，0，0）。目标量程2（100kΩ档）对应参考电阻100kΩ，控制CBA=001，输出（0，0，1）。目标量程3（1MΩ档）对应参考电阻1MΩ，控制CBA=010，输出（0，1，0）。

3.4 人机交互电路
迪文屏的TX、RX分别接单片机的P3.0 (RXD)、P3.1 (TXD)。屏与单片机共地。单片机串口通过定时器2产生115200波特率与迪文屏通信。

四．软件设计

4.1 软件开发环境与整体流程
环境：Keil μVision5 C51编译器。
整体流程：系统上电初始化后，进入主循环。循环内依次执行：设置量程通道->读取ADC->判断并执行量程切换->计算电阻->发送数据至迪文屏。

4.2 底层驱动模块
第一，XPT2046_ReadADC()：模拟SPI时序，向XPT2046发送控制字0xE4（选择IN3通道，单端输入，12位模式），并读取12位转换结果。关键修正：最初误用0x93（差分模式），导致通道选择错误。

第二，SetCD4051Channel()：根据传入的通道号（0，1，2），设置P2.0-P2.2的电平，并延时约10ms等待模拟开关稳定

// 设置CD4051通道 (0, 1, 2 对应三个参考电阻)void SetCD4051Channel(BYTE channel) {

    CD4051_A = channel & 0x01;

    CD4051_B = (channel >> 1) & 0x01;

    CD4051_C = (channel >> 2) & 0x01;

    DelayMs(10); // 等待模拟开关稳定}

// ==================== XPT2046 读取函数 ====================

DWORD XPT2046_ReadADC(void) {

    BYTE i;

    DWORD adc_value = 0;

    BYTE command = 0xE4; // IN3通道，单端模式

    XPT2046_CS = 0;

    for(i=0; i<8; i++) {

        XPT2046_DIN = (command >> (7-i)) & 0x01;

        XPT2046_DCLK = 0; _nop_(); _nop_();

        XPT2046_DCLK = 1; _nop_(); _nop_();

    }

    XPT2046_DCLK = 0; _nop_(); _nop_();

    XPT2046_DCLK = 1; _nop_(); _nop_();

    XPT2046_DCLK = 0; _nop_(); _nop_();

    for(i=0; i<12; i++) {

        XPT2046_DCLK = 1; _nop_(); _nop_();

        XPT2046_DCLK = 0; _nop_(); _nop_();

        adc_value <<= 1;

        if(XPT2046_DOUT) adc_value |= 0x01;

    }

    for(i=0; i<4; i++) {

        XPT2046_DCLK = 1; _nop_(); _nop_();

        XPT2046_DCLK = 0; _nop_(); _nop_();

    }

    XPT2046_CS = 1;

    return adc_value;}

。

4.3 核心算法模块
第一，电阻计算函数 CalculateResistance()：
voltage_mv = (adc_value * VREF_CAL) / ADC_MAX； // 计算测量点电压
if(voltage_mv >= VCC) return OVER_RANGE；
resistance_ohm = (ref_resistor * voltage_mv) / (VCC - voltage_mv)；
return resistance_ohm / 1000.0；

float CalculateResistance(DWORD adc_value, DWORD ref_resistor) {

    float voltage_mv, resistance_ohm;

    if(adc_value == 0 || adc_value >= ADC_MAX) return 0.0;

    voltage_mv = (adc_value * VREF_CAL) / (float)ADC_MAX;

    if(voltage_mv >= VCC) return 99999.0; // 超量程

    resistance_ohm = (ref_resistor * voltage_mv) / (VCC - voltage_mv);

    return resistance_ohm / 1000.0; // 转换为kΩ

}

第二，自动量程切换逻辑 AutoRange()：
升量程：若当前ADC值小于阈值ADC_TOO_SMALL（如100），说明分压过小，待测电阻过大，应切换至更大的参考电阻（即升量程）。
降量程：若ADC值大于阈值ADC_TOO_LARGE（如4000），说明分压过大，待测电阻过小，应切换至更小的参考电阻（即降量程）。

BYTE AutoRange(DWORD adc_value, BYTE cur_range) {

    if(adc_value < ADC_TOO_SMALL) {

        // ADC值太小，说明待测电阻太大，应切换到更大的参考电阻（升量程）

        if(cur_range < 2) return cur_range + 1; // 10k->100k, 100k->1M

    } else if(adc_value > ADC_TOO_LARGE) {

        // ADC值太大，说明待测电阻太小，应切换到更小的参考电阻（降量程）

        if(cur_range > 0) return cur_range - 1; // 1M->100k, 100k->10k

    }

    return cur_range; // 保持不变

}
防振荡：在主程序中，当量程切换后，立即continue跳回循环开始，重新采样，避免在临界点附近反复跳档。

4.4 系统校准模块
校准是保证精度的关键。系统采用两点校准法，核心是确定VREF_CAL（ADC实际参考电压）的值。
原理：在公式 Rx = (V_measure × Rref) / (VCC - V_measure) 中，V_measure = (ADC / 4095) × VREF_CAL。因此，VREF_CAL的准确性直接决定测量结果。
步骤：
a. 在10kΩ量程下，连接一个已知精密的电阻（如R_known = 5.1kΩ）。
b. 读取稳定的ADC值（如ADC_read = 2730）。
c. 根据公式反推或采用迭代逼近法计算VREF_CAL。
d. 将计算出的VREF_CAL（本项目最终值为2833）代入代码常数中。
校准常数：
#define VCC 5000 // 系统电源电压，单位mV
#define VREF_CAL 2833 // XPT2046的实际参考电压，通过校准得出，单位mV

4.5与迪文屏通信

首先设置迪文屏，在显示阻值的页面增添一个文本变量，变量地址设置为1000，使用4位长整数，2位整数，2位小数用于显示电阻数值，再添加一个图标变量，设置地址为1100用于显示电阻的单位，还需额外准备三张分别显示【1k】，【100k】，【1M】的图标并且设置为对应数据0，1，2。下面时对应的单片机代码：

void UART_SendByte_DWIN(BYTE dat) {

    SBUF = dat;

    while(!TI);

    TI = 0;}

// 发送电阻值到地址 0x1000void SendToDWIN(BYTE integer, BYTE decimal) {

    DWORD value = (DWORD)integer * 100 + decimal;

    UART_SendByte_DWIN(0x5A);

    UART_SendByte_DWIN(0xA5);

    UART_SendByte_DWIN(0x07);

    UART_SendByte_DWIN(0x82);

    UART_SendByte_DWIN(0x10); // 地址 0x1000 高字节

    UART_SendByte_DWIN(0x00); // 地址低字节

    UART_SendByte_DWIN(0x00);

    UART_SendByte_DWIN(0x00);

    UART_SendByte_DWIN((BYTE)(value >> 8));

    UART_SendByte_DWIN((BYTE)(value & 0xFF));}

// 发送量程信息到地址 0x1100 (用于迪文屏显示量程)void SendRangeToDWIN(BYTE range) {

    // 发送一个简单的数字代表量程: 1->10k, 2->100k, 3->1M

    // 迪文屏上对应设置文本显示或图标

    UART_SendByte_DWIN(0x5A);

    UART_SendByte_DWIN(0xA5);

    UART_SendByte_DWIN(0x05);

    UART_SendByte_DWIN(0x82);

    UART_SendByte_DWIN(0x11); // 地址 0x1100 高字节

    UART_SendByte_DWIN(0x00); // 地址低字节

    UART_SendByte_DWIN(0x00);

    UART_SendByte_DWIN(range);}

4.6 主程序结构
程序采用顺序执行与状态判断结合的方式，结构清晰。
主程序伪代码：
初始化（）; // 包括IO、串口、变量
while(1) {
1. 设置CD4051通道 = current_range；
2. 延时等待稳定；
3. 读取ADC = XPT2046_ReadADC()多次平均；
4. 判断新量程 = AutoRange(ADC， current_range)；
if(新量程 != 当前量程) {
更新当前量程和参考电阻；
切换CD4051通道；
更新迪文屏量程显示；
continue; // 重新开始循环，用新量程测量
}
5. 计算电阻值 = CalculateResistance(ADC， current_ref_r)；
6. 格式转换（分离整数、小数部分）；
7. 发送电阻值至迪文屏；
8. 延时；
}

void main(void) {

    DWORD adc_raw, adc_sum;

    float resistance_kohm;

    BYTE int_part, dec_part;

    BYTE i, new_range;

    DWORD ref_resistors[3] = {REF_R_10K, REF_R_100K, REF_R_1M};

    // 初始化

    DelayMs(1000);

    UART_Init();

    // 初始化CD4051 (默认选择10kΩ量程)

    CD4051_A = 0; CD4051_B = 0; CD4051_C = 0;

    current_range = 0;

    current_ref_r = ref_resistors[0];

    SetCD4051Channel(0);

    SendRangeToDWIN(1); // 通知迪文屏当前为量程1 (10k)

    // 初始化XPT2046引脚

    XPT2046_CS = 1; XPT2046_DCLK = 0;

    LED = 1; DelayMs(500); LED = 0; // 启动指示

    while(1) {

        // 1. 设置当前量程对应的参考电阻通道

        SetCD4051Channel(current_range);

        DelayMs(50); // 等待电路稳定

        // 2. 读取ADC (多次平均)

        adc_sum = 0;

        for(i=0; i<16; i++) {

            adc_sum += XPT2046_ReadADC();

            DelayMs(2);

        }

        adc_raw = adc_sum / 16;

        // 3. 自动量程判断与切换

        new_range = AutoRange(adc_raw, current_range);

        if(new_range != current_range) {

            // 量程需要切换

            current_range = new_range;

            current_ref_r = ref_resistors[current_range];

            SetCD4051Channel(current_range);

            SendRangeToDWIN(current_range + 1); // 更新迪文屏量程显示

            DelayMs(100); // 切换量程后等待更长时间稳定

            continue; // 跳过本次显示，重新读取新量程下的ADC值

        }

        // 4. 计算电阻值

        resistance_kohm = CalculateResistance(adc_raw, current_ref_r);

        // 5. 处理显示

        if(resistance_kohm >= 10000.0) { // 超量程显示

            int_part = 99; dec_part = 99;

        } else if(resistance_kohm < 0.1) { // 太小或无效

            int_part = 0; dec_part = 0;

        } else {

            int_part = (BYTE)resistance_kohm;

            dec_part = (BYTE)((resistance_kohm - int_part) * 100 + 0.5); // 四舍五入

        }

        // 6. 发送到迪文屏

        LED = 1;

        SendToDWIN(int_part, dec_part);

        LED = 0;

        DelayMs(300); // 主循环延时

    }}