CN107656140A - 一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法及电路 - Google Patents

一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法及电路 Download PDF

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Abstract

本发明一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法及电路，具体步骤：先通过参考电阻R0给参考电容C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TR0；然后通过Rx给C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TRx，根据参考电阻R0和计算得到的TR0和TRx代入以下公式，求出测试电阻的阻值Rx,公式如下：Rx=R0*TRx/TR0。该方法既测量给电容充电过程的时间常数，也测量电容放电过程的时间常数，从而降低极化效应，提高测量精度和可靠性。此外，还增加参考电阻，使得可以实时测量电容数值，降低因为电容参数不一致、老化导致数值变化等带来的误差。

Description

一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法及电路
技术领域
本发明涉及一种测量电阻的方法，尤其是一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法及电路。
背景技术
目前，电阻测量最经典的方法是伏安法，即设法给被测体通入电流I，测量被测体两端的电压V，则电阻R=V/I。这种方法需要测量电流I、电压V，即电路中至少需要2路ADC、电流产生电路，这种方法使用资源较多，是一种模拟和数字电路混合使用的方法。
有人借助嵌入式处理器，设计了使用数字电路测量电阻的方法，这种用法是借助了嵌入式处理器的如下特性:（1）普通数字端口可以设置为输入或输出模式，输入模式下端口为高阻态，流入端口的电流几乎可以忽略，自带比较器，在端口输入电压高于一定值时判断为输入0，高于一定电压时判断为输入1，而输出模式下则可以流入流出一定的电流值（通常不大10mA）；（2）嵌入式处理器内部有定时器。这种方法的电路为：
其原理是利用了RC充电法，电路见图1，GPIO_1设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_2设置为输出模式，步骤如下：
（1）GPIO_2输出0，将电容C1存储的电荷释放完毕，即C1两端电压为0；
（2）从T1时刻，GPIO_2输出1，给电容C1充电，随着充电进行，C1两端电压逐渐上升；
（3）到T2时刻，C1两端电压上升到一定数值，使得GPIO_1的状态被处理器判断为输入1；
（4）T1、T2时刻之间的时间差Tx由嵌入式处理器内部定时器测量，此时间差为Rx*C1，即此电路的时间常数，由于C1数值已知，据此可以求出Rx。
这种方法在很多应用中效果良好，如热敏电阻测温等。然而，这种电路在测量计时过程中，Rx中电流方向单一，即给电容单向充电，在某些应用中，如测量离子构成的电流通道物体时（如测量液体的电导率、岩石电导率），容易形成极化效应，带来较大的测量误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种在测量过程中使得被测物体和电容中的电流正反方向流动的方法，既测量给电容充电过程的时间常数，也测量电容放电过程的时间常数，从而降低极化效应，提高测量精度和可靠性。此外，还增加参考电阻，使得可以实时测量电容数值，降低因为电容参数不一致、老化导致数值变化等带来的误差。
本发明的技术方案是：一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：通过参考电阻R0给参考电容C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TR0；
步骤2：通过Rx给C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TRx，根据参考电阻R0和得到TR0和TRx代入以下公式，求出测试电阻的阻值Rx,公式如下：
Rx=R0* TRx /TR0。
进一步，所述步骤1的具体步骤为：
1.1.将GPIO_2、GPIO_3设置为输入模式，呈高阻态，将GPIO_1、GPIO_4设置为输出0，持续一段时间，使得电容C1两端电压均为0，压差为0；
1.2.再将GPIO_1设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_4保持为0，从T1.2时刻开始，GPIO_3输出1，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为1，此时时刻为T1.3；
1.3.时刻T1.2到T1.3的时间差由定时器测量，记为TR0R_1；
1.4.再将调整GPIO_4输出1，持续一段时间，使得电容C1两端电压均为VCC，压差为0；
1.5.GPIO_4保持为1，从T1.5时刻开始，GPIO_3输出0，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为0，此时时刻为T1.6；
1.6.时刻T1.5到T1.6的时间差由定时器测量，记为TR0F_1；
1.7.对TR0R_1和TR0F_1取平均值，得到TR0_1；
1.8重复步骤1.1-1.7若干次，依据测量时间限制而定，通常为10次以内,记为N，得到TR0_1…TR0_N，对这些数值求和平均，得到TR0.
进一步，所述步骤2的具体步骤为：
2.1.GPIO_2、GPIO_3设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_1、GPIO_4设置为输出0，持续一段时间（此值事先计算，保证大于R0*C1的时间常数），使得电容C1两端电压均为0；
2.2.GPIO_1设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_4保持为0，从T2.2时刻开始，GPIO_2输出1，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为1，此时时刻为T2.3；
2.3.时刻T2.2到T2.3的时间差由定时器测量，记为TRxR_1；
2.4.GPIO_4输出1，持续一段时间，使得电容C1两端电压均为VCC，压差为0；
2.5.GPIO_4保持为1，从T2.5时刻开始，GPIO_2输出0，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为0，此时时刻为T2.6；
2.6.时刻T2.5到T2.6的时间差由定时器测量，记为TRxF_1；
2.7.对TRxR_1和TRxF_1取平均值，得到TRx_1；
2.8重复步骤2.1-2.7若干次（依据测量时间限制而定，通常为10次以内,记为N），得到TRx_1…TRx_N，对这些数值求和平均，得到TRx；
进一步，所述VCC为嵌入式处理器普通数字端口输出1的电压值，通常等于嵌入式处理器的端口供电电压值。
本发明的另一目的是提供一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的电路，该电路包括若干嵌入式处理器的普通数字端口、测电阻物体Rx和参考电容C1，该电路还包括参考电阻R0、电阻Rr1和电阻Rr2；
其中，所述嵌入式处理器的普通数字端口为4个，分别为GPIO_1、GPIO_2、GPIO_3和GPIO_4；
所述GPIO_1、GPIO_2、GPIO_3和GPIO_4分别与所述电阻Rr1、测电阻物体Rx、参考电阻R0、电阻Rr2的一端连接，所述电阻Rr1、测电阻物体Rx、参考电阻R0的另一端都与所述电容C1的一端连接，而所述电容C1的另一端则和所述电阻Rr2另一端连接。
进一步，所述电阻Rr1和电阻Rr2的电阻值为10-150欧姆。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明使得在测量过程中使得被测物体和电容中的电流正反方向流动，既测量给电容充电过程的时间常数，也测量电容放电过程的时间常数，从而降低极化效应，提高测量精度。此外，还增加参考电阻，使得可以实时测量电容数值，降低因为电容参数不一致、老化导致数值变化等带来的误差。
附图说明
图1 使用嵌入式处理器普通数字端口测量电阻原理示意图。
图2为本发明一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：通过参考电阻R0给参考电容C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TR0；
步骤2：通过Rx给C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TRx，根据参考电阻R0和得到TR0和TRx代入以下公式，求出测试电阻的阻值Rx,公式如下：
Rx=R0* TRx /TR0。
所述步骤1的具体步骤为：
1.1.将GPIO_2、GPIO_3设置为输入模式，呈高阻态，将GPIO_1、GPIO_4设置为输出0，持续一段时间，所述时间为R0*C1的时间常数的1.1-2.0倍，使得电容C1两端电压为0；
1.2.再将GPIO_1设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_4保持为0，从T1.2时刻开始，GPIO_3输出1，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为1，此时时刻为T1.3；
1.3.时刻T1.2到T1.3的时间差由定时器测量，记为TR0R_1；
1.4.再将调整GPIO_4输出1，持续一段时间，所述时间为Rr2*C1的时间常数的1.1-2.0倍，使得电容C1两端电压为VCC，所述VCC为嵌入式处理器普通数字端口输出1的电压值，通常等于嵌入式处理器的端口供电电压值；
1.5.GPIO_4保持为1，从T1.5时刻开始，GPIO_3输出0，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为0，此时时刻为T1.6；
1.6.时刻T1.5到T1.6的时间差由定时器测量，记为TR0F_1；
1.7.对TR0R_1和TR0F_1取平均值，得到TR0_1；
1.8重复步骤1.1-1.7若干次，依据测量时间限制而定，通常为10次以内,记为N，得到TR0_1…TR0_N，对这些数值求和平均，得到TR0.
所述步骤2的具体步骤为：
2.1.GPIO_2、GPIO_3设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_1、GPIO_4设置为输出0，持续一段时间，所述时间为R0*C1的时间常数的1.1-2.0倍，，使得电容C1两端电压为0；
2.2．GPIO_1设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_4保持为0，从T2.2时刻开始，GPIO_2输出1，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为1，此时时刻为T2.3；
2.3．时刻T2.2到T2.3的时间差由定时器测量，记为TRxR_1；
2.4.GPIO_4输出1，持续一段时间，所述时间为Rr2*C1的时间常数的1.1-2.0倍，使得电容C1两端电压为VCC，所述VCC为嵌入式处理器普通数字端口输出1的电压值，通常等于嵌入式处理器的端口供电电压值；
2.5.GPIO_4保持为1，从T2.5时刻开始，GPIO_2输出0，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为0，此时时刻为T2.6；
2.6.时刻T2.5到T2.6的时间差由定时器测量，记为TRxF_1；
2.7.对TRxR_1和TRxF_1取平均值，得到TRx_1；
2.8重复步骤2.1-2.7若干次（依据测量时间限制而定，通常为10次以内,记为N），得到TRx_1…TRx_N，对这些数值求和平均，得到TRx；
如图2所示，本发明一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的电路，该电路包括若干嵌入式处理器的普通数字端口、测电阻物体Rx和参考电容C1，该电路还包括参考电阻R0、电阻Rr1和电阻Rr2；
其中，所述嵌入式处理器的普通数字端口为4个，分别为GPIO_1、GPIO_2、GPIO_3和GPIO_4；
所述GPIO_1、GPIO_2、GPIO_3和GPIO_4分别与所述电阻Rr1、测电阻物体Rx、参考电阻R0、Rr2的一端连接，所述电阻Rr1、测电阻物体Rx、参考电阻R0的另一端都与所述电容C1的一端连接，而所述电容C1的另一端则和所述电阻Rr2另一端连接。
所述电阻Rr1和电阻Rr2的电阻值为10-150欧姆。
本发明的电路实现了电容的充放电过程均记录数值，可以消除极化效应，提高测量精度；不测电阻时，可以设置GPIO_1、GPIO_2、GPIO_3、GPIO_4均为输入，即高阻状态，即Rx两端为自由状态，不影响其他电路对被测电阻的其他物理量进行测量。
本发明虽以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：通过参考电阻R0给参考电容C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TR0；
步骤2：通过Rx给C1充放电，使用定时器分别测量充电和放电时间，进而求得充放电时间平均值TRx，根据参考电阻R0和得到TR0和TRx代入以下公式，求出测试电阻的阻值Rx,公式如下：
Rx=R0* TRx /TR0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：
1.1.将GPIO_2、GPIO_3设置为输入模式，呈高阻态，将GPIO_1、GPIO_4设置为输出0，持续一段时间，使得电容C1两端电压均为0，压差为0；
1.2.再将GPIO_1设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_4保持为0，从T1.2时刻开始，GPIO_3输出1，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为1，此时时刻为T1.3；
1.3.时刻T1.2到T1.3的时间差由定时器测量，记为TR0R_1；
1.4.再调整GPIO_4输出1，持续一段时间，使得电容C1两端电压均为嵌入式处理器的供电电压VCC，即嵌入式处理器普通数字端口输出1的电压值，此时电容两端压差为0；
1.5.GPIO_4保持为1，从T1.5时刻开始，GPIO_3输出0，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为0，此时时刻为T1.6；
1.6.时刻T1.5到T1.6的时间差由定时器测量，记为TR0F_1；
1.7.对TR0R_1和TR0F_1取平均值，得到TR0_1；
1.8.重复步骤1.1-1.7若干次，依据测量时间限制而定，通常为10次以内,记为N，得到TR0_1…TR0_N，对这些数值求和平均，得到TR0。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：
2.1.GPIO_2、GPIO_3设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_1、GPIO_4设置为输出0，持续一段时间（此值事先计算，保证大于R0*C1的时间常数），使得电容C1两端电压均为0，压差为0；
2.2.GPIO_1设置为输入模式，呈高阻态，GPIO_4保持为0，从T2.2时刻开始，GPIO_2输出1，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为1，此时时刻为T2.3；
2.3.时刻T2.2到T2.3的时间差由定时器测量，记为TRxR_1；
2.4.GPIO_4输出1，持续一段时间，使得电容C1两端电压均为VCC，压差为0；
2.5.GPIO_4保持为1，从T2.5时刻开始，GPIO_2输出0，直到嵌入式处理器读入GPIO_1状态为0，此时时刻为T2.6；
2.6.时刻T2.5到T2.6的时间差由定时器测量，记为TRxF_1；
2.7.对TRxR_1和TRxF_1取平均值，得到TRx_1；
2.8重复步骤2.1-2.7若干次（依据测量时间限制而定，通常为10次以内,记为N），得到TRx_1…TRx_N，对这些数值求和平均，得到TRx。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.1的一段时间，所述时间为R0*C1的时间常数的1.1-2.0倍。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.4的一段时间，所述时间为Rr2*C1的时间常数的1.1-2.0倍。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2.1的一段时间，所述时间为R0*C1的时间常数的1.1-2.0倍。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2.4的一段时间，所述时间为Rr2*C1的时间常数的1.1-2.0倍。
8.一种利用嵌入式处理器数字端口测量电阻的电路，该电路包括若干嵌入式处理器的普通数字端口、测电阻物体Rx和参考电容C1，其特征在在于，该电路还包括参考电阻R0、电阻Rr1和电阻Rr2；
其中，所述嵌入式处理器的普通数字端口为4个，分别为GPIO_1、GPIO_2、GPIO_3和GPIO_4；
所述GPIO_1、GPIO_2、GPIO_3和GPIO_4分别与所述电阻Rr1、测电阻物体Rx、参考电阻R0、电阻Rr2的一端连接，所述电阻Rr1、测电阻物体Rx、参考电阻R0的另一端都与所述电容C1的一端连接，而所述电容C1的另一端则和所述电阻Rr2另一端连接。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述电阻Rr1和电阻Rr2的电阻值为10-150欧姆。
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