一、前言

在以前的有些單片機應用中，有的時候會遇到 AD 端口資源不夠用的情況，但又需要測量電阻的大小。比如一個熱敏電阻的阻值。有人給出了一個利用兩個 IO 端口完成電阻精確測量的一個老的方法。下面通過實驗來測試一下這個古老的 IO 端口測量電阻的方法。

二、測量原理

測量原理比較簡單。使用兩個單片機IO口，連接兩個電阻，向同一個電容充電。設置一個IO口為輸出端口，另一個為輸入端口。輸出端口通過連接的電阻向電容充電。電容上的電壓上升，當超過一定閾值，輸入端口邏輯電平就會變成1。這個充電時間與 終止電壓、閾值電壓以及 RC對應的時間常數有關系。具體數值由這個公式決定。這個過程再測量一遍。

對應的時間與R2成正比。因此，兩次時間的比值，就等于電阻的比值。如果已知其中一個電阻阻值，另外一個電阻便可以根據時間比值計算出來。這就是IO口測量電阻的基本原理。

三、實驗結果

1、端口閾值電壓

這是 STM32F030K6 單片機，給它端口 PF0 施加一個三角波。程序循環查詢輸入邏輯電平，并在 PF1 輸出反向邏輯。可以看到單片機對輸入信號進行了離散化。上升和下降具有一定的回滯特性。回滯電壓大約是 200mV。

▲ 圖1.3.1 單片機端口的閾值電壓`

2、測量元器件

下面利用F030 單片機的 PF0, PF1 兩個管腳，來測量電阻。測試一下這種方式測量的精度。

實驗中需要一個電容和兩個電阻。電容容值為 313.8nF，電阻1 的阻值為 19.545kΩ； 電阻2的阻值為 4.718kΩ。將它們安裝在面包板上進行測試。

● 電路器件參數：
電容C：313.8nF
電阻R1：19.545k
電阻R2：4.718k

電容一端接地，另外一端與兩個電阻相連。兩個電阻分別與單片機的 PF0，PF1 端口相連。下面對單片機進行軟件編程。利用其中的定時器作為時標，對延遲計時。

PF0管腳連接R2，PF1連接R1。設置PF0 為輸出端口，PF1 為輸入端口。周期改變PF0高低電平。分別測量 PF0，以及電容上的電壓信號。可以看到電容上的電壓呈現充電曲線。時間常數大約為 1.5ms。根據已知器件數值，可以看到與測量的結果是相符合的。

這是電阻2對電容的充放電曲線。下面測量電阻1對電容的充放電過程。由于電阻1的阻值為20k歐姆，所以對應的充放電過程就比較慢，時間常數大約是 R2對應的時間常數的4倍。為 6.3ms。在測量過程中，兩個端口同時對電容進行放電。放電時間取20ms。

3、測量單片機軟件

測量軟件先將 PF0，PF1 輸出 0 電平，對于電容進行放電。然后將其中一個設置為輸入端口，另外一個置為高電平，對電容充電。同時啟動定時器1進行計時。在此過程中，監視輸入端口邏輯電平是否為 1。當輸入端口變為1時，停止定時器，并讀取時間。然后再進行放電，更換另外一個端口為輸入端口。測試充電時間。這是測量 PF0 和 電容上電壓信號。可以看到兩個充放電過程。黃色曲線是 PF0電壓信號，青色是電容上的充放電電壓信號。這是 PF0 作為輸出端口，PF1作為輸入端口時的測量過程。這兩個充電時間與電阻成正比。

這是給出的測量結果，第一個是 電阻1 對應的充電時間。第二個是電阻2 對應的充電時間。它們的比值在4.1左右。根據前面測量的 R1，R2 的阻值，對應的比值大約為 4.143. 由此可以看到測量時間比值與電阻比值接近。

測試 298 個數據進行統計。數據的平均值為 4.119，標準方差為 0.043。測量平均值比實際電阻比值 4.143 小了 0.6% 左右。

● 數據統計結果：
測量次數：298
平均值：4.119
標準方差：0.043

總結

本文測試了利用單片機 IO 口測量電阻的方法。單片機平臺是 STM32F030K6。測量得到的電阻充放電比值 比 電阻值的比值小了 0.6%左右。