CN202404157U - 一种基于i/o端口检测可变电阻值电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种检测电路，属于电路检测技术领域，公开了一种基于I/O端口检测可变电阻值电路。所述检测电路包括主控单元（MCU）、测试电容（C）、保护电阻（R2）、基准电阻（R3）和待测可变电阻（R1）；所述主控单元（MCU）包括第一I/O端口（I/O1）和第二I/O端口（I/O2）；主控单元（MCU）用于使所述第二I/O端口（I/O2）输出高电平，并对所述第一I/O端口（I/O1）检测到高电平的时间计时获得基准时间值，然后使所述第一I/O端口（I/O1）输出高电平，并对所述第二I/O端口（I/O2）检测到高电平的时间计时获得测量时间值，并基于所述测量时间值、基准时间值和基准电阻值计算获得待测可变电阻值。本实用新型具有测量精度高，电路结构简单，性能可靠，成本低廉，可以依靠低价值单片机实现，能够扩展现有检测电路。

Description

一种基于I/O端口检测可变电阻值电路

技术领域

本实用新型涉及一种检测电路，尤其涉及一种基于I/O端口检测可变电阻值电路，属于电路检测技术领域。 

背景技术

电阻值的测量是对恒定电路的一种基本测量。现有的电阻测量方式主要包括以下几种： 

1）欧姆表测量，利用欧姆定律原理根据测量的电流值来换算相应的电阻。这种测量的缺点是精度不高，只能实现粗测，而且每次换档都要调零和试测，不能进行数字存储。 

2）伏安法，即同时测量电阻两端的电压和通过的电流和电压，再利用欧姆定律换算电阻（R=U/I）。但是这种方法需要用A/D转换器对测量的电压和电流模拟信号进行模数转化。 

现有的电阻测量方法还包括半偏法、桥式电路法等，但仍需要A/D转换器对模拟信号进行模数转化，都存在成本偏高等缺点。 

现有技术中还可以利用单片机等数字芯片执行对可变电阻值的测量,测量电路及测量方法如图1所示。这里所采用的数字芯片MCU必须具有模/数转换器（A/D转换器），基准电阻R3的一端接参考电压Vcc，另一端与待测可变电阻R1串联，待测可变电阻R1的另一端接地，基准电阻R3与待测可变电阻R1二者的串联接点P1还连接MCU的A/D端口，MCU通过A/D端口采样P1点的电压值并进行模/数转换，然后利用电阻分压公式，根据P1点的电压值 从基准电阻R3推出待测可变电阻R1的电阻值。 

现有技术中上述基于数字芯片的测量方法的主要缺陷在于该数字芯片必须内置A/D转换器，导致硬件价格偏高，同时对待测可变电阻R1的测量精度取决于数字芯片的A/D精度以及基准电阻R3，待测可变电阻R1的测量精度分布与基准电阻R3的选值相关，使得在实际生产中对测量精度的一致性不易控制。 

实用新型内容

针对现有技术中的上述缺陷，本实用新型提供了一种基于I/O端口检测可变电阻值电路，其特征在于，包括主控单元（MCU）、测试电容（C）、保护电阻（R2）、基准电阻（R3）和待测可变电阻（R1）；所述主控单元（MCU）包括第一I/O端口（I/O1）和第二I/O端口（I/O2），所述第一I/O端口（I/O1）和第二I/O端口（I/O2）分别经保护电阻（R2）、待测可变电阻（R1）和基准电阻（R3）连接所述测试电容（C），所述保护电阻（R2）用于与所述待测可变电阻（R1）并联；主控单元（MCU）用于使所述第二I/O端口（I/O2）输出高电平，并对所述第一I/O端口（I/O1）检测到高电平的时间计时获得基准时间值，然后使所述第一I/O端口（I/O1）输出高电平，并对所述第二I/O端口（I/O2）检测到高电平的时间计时获得测量时间值，并基于所述测量时间值、基准时间值和基准电阻值计算获取待测可变电阻值。 

优选地，所述主控单元（MCU）在测量所述基准时间值和测量时间值之前，均使所述第一I/O端口（I/O1）和第二I/O端口（I/O2）在特定时间长度内保持输出低电平，使所述测试电容（C）放电。 

优选地，所述主控单元（MCU）按照“待测可变电阻值=基准电阻值*测量时间值/基准时间值”计算所述待测可变电阻值。 

优选地，所述主控单元（MCU）进一步包括用于存储所述基准电阻值的ROM单元。 

优选地，所述检测电路中所述保护电阻（R2）阻值远高于待测可变电阻（R1）阻值。 

本实用新型可变电阻值检测电路适用范围宽，所有具有I/O端口的单片机都可以应用，可以实现低资源低成本的单片机电路，而且检测精度只与基准电阻（R3）相关，因此容易控制生产中的一致性，具有很高的推广价值，同时电路结构简单，性能可靠，成本低廉，可以依靠低价值单片机实现，能够扩展现有检测电路。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明： 

图1是现有技术中基于数字芯片的可变电阻值测量电路原理图； 

图2是本实用新型实施例的可变电阻值检测电路原理图； 

图3是本实用新型实施例的可变电阻值检测电路测量程序流程图； 

图4－6是本实用新型实施例的测量工作原理示意图。 

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，并使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本实用新型作进一步详细的说明。 

图2是本实用新型实施例的可变电阻值检测电路原理图。如图2 所示，该电路包括：主控单元MCU、待测可变电阻R1、测试电容C、保护电阻R2和基准电阻R3；所述主控单元MCU包括第一I/O端口I/O1和第二I/O端口I/O2，所述第一I/O端口I/O1经保护电阻R2连接测试电容C，并且第二I/O端口I/O2分别经基准电阻R3连接所述测试电容C，所述测试电容C的另一极接地，并且所述保护电阻R2用于与待测可变电阻R1并联。其中,保护电阻R2的主要作用是当待测可变电阻R1断路或者开路的情况下进行保护, 主控单元MCU能测出待测可变电阻R1断路或者开路，因此保护电阻R2的阻值远高于待测可变电阻R1的阻值。 

主控单元MCU在测量电阻值之前，首先将所述第一I/O端口I/O1和第二I/O端口I/O2都设置为输出状态，且都输出低电平，并保持特定的延时T1（如1ms）。这一状态如图4所示，由于第一I/O端口I/O1和第二I/O端口I/O2均保持低电平，使测试电容C蓄积的电荷沿箭头方向运动实现放电，放电时间常数τ1=(R1//R2//R3)*C，由于保护电阻R2的阻值远高于待测可变电阻R1的阻值，保护电阻R2对放电时间的影响可以忽略不计，即：τ1≈（R1//R3）*C，

 ，经过所述特定的延时T1之后，电容C经过待测可变电阻R1、保护电阻R2和基准电阻R3放电完毕，此时P点的电位为0。 

主控单元MCU在测量电阻值时，主控单元MCU使所述第二I/O端口I/O2设置为输出状态并且输出高电平，并对第一I/O端口I/O1设置为输入状态，使计时器清零后开始计时，直到所述第一I/O端口I/O1检测到高电平，根据计时获得基准时间值t。这一状态如图5所示，保持高电平的第二I/O端口I/O2对测试电容C经过基准电阻R3 进行充电，直至P点达到高电平，此时第一I/O端口I/O1检测到P点的高电平，并且将测试电容C充电时间计为基准时间值t。 

根据电容充放电时间公式，设第二I/O端口I/O2输出的高电平电压为V，第一I/O端口I/O1检测到高电平时，P点的电压为V_P，且第一I/O端口I/O1检测到高电平的时间为t，则

 ，也即基准时间值

 ，可见基准时间值t与基准电阻R3的阻值以及测试电容C的电容值有关。 

主控单元MCU再次将所述第一I/O端口I/O1和第二I/O端口I/O2都设置为输出状态，并都输出低电平，持续特定的延时T1（如1ms）。再次如图4所示，由于第一I/O端口I/O1和第二I/O端口I/O2均保持低电平，使测试电容C蓄积的电荷沿箭头方向运动实现放电，放电时间常数τ1=(R1//R2//R3)*C，由于保护电阻R2的阻值远高于待测可变电阻R1的阻值，保护电阻R2对放电时间的影响可以忽略不计，即：τ1≈（R1//R3）*C，

 ，测试电容C经过待测可变电阻R1、保护电阻R2和基准电阻R3放电完毕，此时P点电位为0。 

之后，主控单元MCU使所述第二I/O端口I/O1设置为输出状态并且输出高电平，并对第一I/O端口I/O2设置为输入状态，使计时器清零后开始计时，直到所述第一I/O端口I/O2检测到高电平，根据计时获得测试时间值t′。这一状态如图6所示，保持高电平的第一I/O端口I/O1对测试电容C经过待测可变电阻R1和保护电阻R2进行充电，直至P点达到高电平，即直至测试电容C充电达到饱和，此时第二I/O端口I/O2检测到P点的高电平，并且将测试电容C充电 达到饱和时间计为测量时间值t′。 

同样，第一I/O端口I/O1输出的高电平电压为V，第二I/O端口I/O2检测到高电平时，P点的电压达到V_P，且第二I/O端口I/O2检测到高电平的时间为t′。则

 ，其中(R₁//R₂)表示待测可变电阻R1与保护电阻R2的并联总阻值，即

 。上文中已经介绍过，保护电阻R2的阻值远高于待测可变电阻R1的阻值，即保护电阻R2对并联总阻值(R₁//R₂)的影响可以忽略。因此

 ，即并联总阻值(R₁//R₂)近似等于待测可变电阻R1的阻值。因而可以认为

 ，即测量时间值 。可见测量时间值t′与待测可变电阻R1的阻值以及测试电容C的电容值有关。 

基于所述测量时间值t′、基准时间值t的计算公式可以看到： $t^{\′}/t=R_{1}C\ln \left(\frac{V}{V-V_p}\right)/R_{3}C\ln \left(\frac{V}{V-V_{p[}}\right)=R_1/R_3$    

因而可以根据所述测量时间值t′、基准时间值t以及已知的基准电阻值R₃计算取得待测可变电阻值R₁： 

$R_1=(t^{\′}/t)R_3$

即：待测可变电阻值=基准电阻值*测量时间值/基准时间值。 

从上述计算过程也可以看到，虽然测量时间值t′与基准时间值t均与测试电容C相关，但二者的比值  $t^{\′}/t=R_{1}C\ln \left(\frac{V}{V-V_p}\right)/R_{3}C\ln \left(\frac{V}{V-V_{p[}}\right)=R_1/R_3$ ，消去了测试电容C的影响，因此测量的精度只与数值比较稳定的基准电阻R3相关，不再与测试电容C的电容量变化相关。在仪器实际使用过程中，电容元件的电容值容易受到环境、温度、寿命周期等因素的影响而发生改变，这使得应用电容元件的测量仪表不容易保持恒定的测量精度。而本实用新型消除了测试电容C的电容量变化对测量的影响，使得测量精度更加准确、易于控制。 

所述主控单元MCU可以进一步包括用于存储所述基准电阻值的ROM单元（未示出），所述主控单元MCU一般对待测可变电阻R1经过4～5次测量，经过数字滤波处理，最后得出最终的测试结果。 

图3示出了本实用新型的检测电路测量程序流程图。如图3所示，测量开始后，依次执行以下步骤：首先第一和第二I/O端口I/O1、I/O2都设定为输出状态并输出低电平，经过T1（如1ms）的延时，测试电容C放电完毕之后，将I/O1设定为输入，I/O2设定为输出并输出高电平，对MCU的内部计时器清零后开始计时，判断I/O1有没有采样检测到高电平，如果I/O1端口检测到低电平，则继续计时；如果I/O1端口检测到高电平，计时器停止计时，并将获得计时器时间作为基准时间值t；然后再次把第一和第二I/O端口I/O1、I/O2都设定为输出状态并输出低电平，经过T1（如1ms）的延时，测试电容C放电完毕之后，将I/O2设定为输入，I/O1设定为输出并输出高电平，对MCU的内部计时器清零后重新开始计时，并判断I/O2有没有采样检测到高电平，如果I/O2端口检测到低电平，则继续计时；如 果I/O2端口检测到高电平，计时器停止计时，并将获得计时器时间作为测量时间值t′。根据以上两个测得的时间值，以及预先设定的基准电阻值，MCU执行对待测可变电阻值的计算，即待测可变电阻值=基准电阻值*测量时间值/基准时间值。 

本实用新型所涉及的主控单元MCU可以用单片机、DSP等各种具有数字处理能力的数字芯片加以实现，因此便于集成到万用表、数字测电笔等电子产品当中，同时也可以应用到需要测试电阻阻值的其它控制器和仪器设备当中。 

综上，本实用新型提供了一种利用数字芯片I/O端口实现的可变电阻值检测电路，可以迅速、准确、自动地完成对电阻值的检测，反应迅速，操作方便，结构简单，制造成本低，便于集成，能够应用到现有电子检测仪表当中以及控制器和仪器设备当中。以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，本实用新型还可以应用在其它控制器和设备当中。本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。 

Claims (3)

1.一种基于I/O端口检测可变电阻值电路，其特征在于，包括主控单元（MCU）、测试电容（C）、保护电阻（R2）、基准电阻（R3）和待测可变电阻（R1）；所述主控单元（MCU）包括第一I/O端口（I/O1）和第二I/O端口（I/O2），所述第一I/O端口（I/O1）和第二I/O端口（I/O2）分别经保护电阻（R2）、待测可变电阻（R1）和基准电阻（R3）连接所述测试电容（C），所述保护电阻（R2）用于与所述待测可变电阻（R1）并联；所述主控单元（MCU）用于使所述第二I/O端口（I/O2）输出高电平，并对所述第一I/O端口（I/O1）检测到高电平的时间计时获得基准时间值，然后使所述第一I/O端口（I/O1）输出高电平，并对所述第二I/O端口（I/O2）检测到高电平的时间计时获得测量时间值，并基于所述测量时间值、基准时间值和基准电阻值计算获取待测可变电阻值。

2.根据权利要求1所述的检测可变电阻值电路，其特征在于，所述主控单元（MCU）进一步包括用于存储所述基准电阻值的ROM单元。

3.根据权利要求1所述的检测可变电阻值电路，其特征在于，所述保护电阻（R2）阻值远高于待测可变电阻（R1）阻值。 

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