畢業(yè)設(shè)計---簡易自動電阻測試儀

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計報告</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言3</b></p><p>　　2 設(shè)計任務(wù)及要求3</p><p>　　2.1 設(shè)計任務(wù)3</p><p>　　2.

2、2 設(shè)計要求3</p><p>　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計4</p><p>　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計及說明4</p><p>　　3.2 方案論證4</p><p>　　3.2.1控制器模塊4</p><p>　　3.2.2測量模塊方案論證選擇5</p><p>　　3.2.3顯示模塊

3、比較和選擇6</p><p>　　3.2.4電機驅(qū)動模塊方案比較和選擇7</p><p>　　4 軟、硬件設(shè)計8</p><p>　　4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計8</p><p>　　4.1.1 100Ω檔工作原理分析8</p><p>　　4.1.2 10MΩ檔工作原理分析9</p><p&g

4、t;　　4.1.3 1K、10K檔工作原理分析9</p><p>　　4.1.4 電機驅(qū)動模塊原理分析10</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計11</p><p>　　4.2.1 軟件系統(tǒng)總流程圖及設(shè)計思路說明11</p><p>　　4.2.2 軟件各功能模塊的流程圖設(shè)計12</p><p>　　5

5、安裝與調(diào)試14</p><p>　　5.1安裝調(diào)試過程14</p><p>　　5.1.1 硬件安裝調(diào)試過程14</p><p>　　5.1.2 軟件調(diào)試過程14</p><p>　　5.2 故障分析14</p><p><b>　　6總結(jié)和感謝15</b></p>&l

6、t;p><b>　　7 參考文獻15</b></p><p><b>　　8 附錄16</b></p><p>　　附錄一 采樣電路元器件清單16</p><p>　　附錄二 步進電機驅(qū)動元器件清單16</p><p>　　附錄三 顯示模塊元器件清單17</p><

7、;p>　　附錄四 使用設(shè)備清單17</p><p>　　附錄五 PCB板總圖19</p><p>　　附錄六 用戶操作說明21</p><p>　　附錄七 硬件電路板外觀圖22</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　本簡易自動電阻測試儀由STC12C5A6

8、0S2為主控制器。待測電阻Rx經(jīng)LM353、TL431搭建的測量電路由單片機控制繼電器量程調(diào)整，再經(jīng)轉(zhuǎn)換送回單片機，單片機進行數(shù)據(jù)采集分析后可在LCD12864液晶上顯示相應(yīng)數(shù)字和單位，該測量儀測量量程為100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四檔。具有自動電阻篩選功能，即在進行電阻篩選測量時，用戶通過鍵盤輸入要求的電阻值和篩選的誤差值；測量時，儀器能在顯示被測電阻阻值的同時，給出該電阻是否符合篩選要求的指示。單片機通過對異步電機的旋轉(zhuǎn)角度

9、控制可自動實現(xiàn)對4.7K的電位器自動描畫出阻值隨角度變化的曲線。</p><p><b>　　2 設(shè)計任務(wù)及要求</b></p><p>　　2.1 設(shè)計任務(wù) </p><p>　　設(shè)計并制作一臺簡易自動電阻測試儀。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計要求</b></p>

10、;<p><b>　　1．基本功能</b></p><p>　?。?）測量量程為100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四檔。測量準確度為±（1%讀</p><p><b>　　數(shù)＋2 字）。</b></p><p>　　（2）3 位數(shù)字顯示（最大顯示數(shù)必須為999），能自動顯示小數(shù)點和單位,</

11、p><p>　　測量速率大于5 次/秒。 </p><p>　?。?）100Ω、1kΩ、10kΩ三檔量程具有自動量程轉(zhuǎn)換功能。</p><p><b>　　2．發(fā)揮部分</b></p><p>　?。?）具有自動電阻篩選功能。即在進行電阻篩選測量時，用戶通過鍵盤輸</p><p>　　入要求的電阻值和

12、篩選的誤差值；測量時，儀器能在顯示被測電阻阻值的同時，</p><p>　　給出該電阻是否符合篩選要求的指示。</p><p>　?。?）設(shè)計并制作一個能自動測量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線的</p><p>　　輔助裝置，要求曲線各點的測量準確度為±（5%讀數(shù)＋2 字）,全程測量時間不</p><p>　　大于10 秒,測量

13、點不少于15 點。輔助裝置連接的示意圖如圖1 所示。</p><p>　　圖 1 輔助裝置連接示意圖</p><p><b>　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計及說明</p><p>　　在電阻測量時，通過對按鍵的輸入，控制繼電器的吸合對100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四個檔位

14、進行手動選擇或自動選檔，待測電阻經(jīng)過恒流/壓源、放大電路，一系列的A/D、D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)由單片機輸出，將在LCD12864液晶顯示屏上顯示相對應(yīng)的檔位以及當前的所測的電阻阻值，亦可通過鍵盤輸入，針對可調(diào)4.7K電位器，進行實時的曲線描點功能，即在LCD12864液晶顯示屏上顯示實時的電位器通過電機旋轉(zhuǎn)的角度與阻值大小的相應(yīng)實時曲線。</p><p>　　為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了幾種方案并分別進行

15、了論證。</p><p><b>　　圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p><b>　　3.2 方案論證</b></p><p>　　為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了幾種方案并分別進行了論證。</p><p>　　3.2.1控制器模塊</p><p>　　在控制

16、模塊選擇上，我們有以下幾種方案，具體如下：</p><p>　　方案1：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。</p><p>　　方案2：采用STC公司的12C5A60S2單片機作為主控制器。STC12C5A

17、60S2是一個低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦1000次的Flash只讀存儲器，具有256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個IO口，2個16位可編程定時計數(shù)器。且該系列的52單片機可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機中下載程序。</p><p>　　相比之下STC12C5A60S2的性價比較高且CPLD用于較高端的電路，所以選擇2方案。</p

18、><p>　　3.2.2測量模塊方案論證選擇</p><p>　　在采樣測量模塊方案選擇中，我們有4個備選方案，具體如下：</p><p>　　方案1：用一個運放作為反饋，同時使用場效應(yīng)管避免三極管的be電流導(dǎo)致的誤差。典型運放恒流源如圖2所示，本方案電流不是特別精確，其中的場效應(yīng)管也可以用三極管代替。電流計算公式為：I = Vin/R1。</p><

19、;p><b>　　圖3 恒流源電路圖</b></p><p>　　方案2：TLC2272搭建的恒流源如圖4所示，利用運放TLC2272比較電壓，控制CMOS管的電流大小，并且不受前面電路的影響，可輸出較大電流最大可達4A左右，且穩(wěn)定性良好、精度高，但是調(diào)試難度系數(shù)偏高，場效應(yīng)管容易燒毀。</p><p>　　圖4 TLC2272恒流源電路</p>

20、<p>　　方案3： LM353與TL431組成的恒流源如圖5兩者的配合互補了相對的缺陷，I=U/Rx且不需要穩(wěn)壓管，相對方案3而言經(jīng)濟效益較高，調(diào)試和穩(wěn)定性優(yōu)于以上一系列方案。綜合以上分析，故我們選擇了方案3。</p><p>　　圖5 LM353與TL431恒流源電路</p><p>　　3.2.3顯示模塊比較和選擇</p><p>　　在顯示模塊選

21、擇過程中，我們有以下三種方案，分別為：</p><p>　　方案1：用數(shù)碼管進行直接顯示。數(shù)碼管直接接到單片機上不僅占用端口，顯示具有局限性，而且還要另外制作AD采樣和數(shù)碼驅(qū)動電路，比較繁瑣，因此我們放棄了此方案。</p><p>　　方案2：用ZLG7290鍵盤顯示電路顯示。由于ZLG7290鍵盤顯示電路有兩個四位數(shù)碼管顯示，但是按鍵顯示不夠穩(wěn)定，程序設(shè)計較繁瑣，因此我們放棄了此方案。&

22、lt;/p><p>　　方案3：使用LCD12864液晶顯示屏。液晶顯示屏具有輕薄短小，低耗電量，無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強，可靈活用于畫圖、畫線等特點，符合本次設(shè)計任務(wù)的要求。故采用此方案。</p><p>　　3.2.4電機驅(qū)動模塊方案比較和選擇</p><p>　　電機轉(zhuǎn)動過程中需要精密測出相應(yīng)

23、轉(zhuǎn)過的角度，這就要求電機的靈敏度高，受慣性的影響較小，所以直流電機不滿足要求。故我們采用了帶光耦隔離，利用抗干擾能力強的TLP521作為隔離保護；利用L297進行PWM脈寬平滑調(diào)速與輸出限流保護；利用L298實現(xiàn)電機驅(qū)動及其正反轉(zhuǎn)，并采用二極管進行續(xù)流保護。整體電路如圖6所示：</p><p>　　圖6 步進電機驅(qū)動電路</p><p><b>　　4 軟、硬件設(shè)計</b&

24、gt;</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　4.1.1 100Ω檔工作原理分析</p><p>　　如圖7所示，該恒流源電路由TL431和三極管組成，當電壓開始升高時，流經(jīng)三極管Q1的偏流電流也增大，從而導(dǎo)致流經(jīng)R11的電流也大幅增大，R11的電壓降也增大。但一旦R11電壓升高，TL431就會動作而使它的

25、陰陽極的電流大幅增加（分流三極管的偏流電流），最終結(jié)果是使R11的電壓回到2.5V為止。因為三極管的基極偏流電流大小是很小的，它的微小變化就會帶來其發(fā)射極電流的大變化，所以基極電流的變化對恒流大小的變化可以忽略不計的。所以這樣的電路其輸出電流幾乎不受輸入電壓的變化影響的。而經(jīng)過R11的電流則由I=2.5V/R11決定，當R11固定時，I就會不變，從而實現(xiàn)恒流！而繼電器K5則是由單片機控制，當P10給一個低電平，三極管Q4集電極與發(fā)射集開

26、通，繼電器吸合，起到了控制的作用，而LM353跟隨器跟隨一級，而跟隨器具有具有較高的輸入電阻和很低的輸出電阻，它能緩沖，可以將前后兩級隔開，讓前級不受后極負載大小的影響，能保持前級的放大倍數(shù)性能不變，從而達到精確度的要求。</p><p>　　圖7 100Ω檔工作原理圖</p><p>　　4.1.2 10MΩ檔工作原理分析</p><p>　　如圖8所示, TL

27、431一腳產(chǎn)生2.5V電壓，而待測電阻Rx經(jīng)過R35和R36分壓后，得到的一個分壓值經(jīng)過繼電器的吸合通過跟隨器LM353，由跟隨器的7腳輸VO2至單片機進行A/D轉(zhuǎn)換。而并聯(lián)在繼電器上的二極管起到了保護作用，一般繼電器線圈匝數(shù)較多，在釋放瞬間會產(chǎn)生一個較高電壓的感應(yīng)電動勢，這個電動勢對驅(qū)動三極管有威脅，并聯(lián)在線圈兩端的二極管就是短路這個感應(yīng)電動勢的，避免擊穿驅(qū)動管。當P10給一個低電平，三極管Q4集電極與發(fā)射集開通，繼電器吸合，起到了控

28、制的作用，而LM353跟隨器跟隨一級，而跟隨器具有具有較高的輸入電阻和很低的輸出電阻，它能緩沖，可以將前后兩級隔開，讓前級不受后極負載大小的影響，能保持前級的放大倍數(shù)性能不變，從而達到精確度的要求。</p><p>　　圖8 10MΩ檔工作原理圖</p><p>　　4.1.3 1K、10K檔工作原理分析</p><p>　　如圖9所示,當TL431的一腳穩(wěn)壓一個

29、2.5V，當Rx阻值確定的情況，單片機通過A/D值的識別，控制繼電器的吸合來控制檔位的選擇，同時R1、R2和Rx并聯(lián)分壓或者R3、R4和Rx同時也是并聯(lián)分壓，分別決定著1K檔和10K檔，而LM353同時還是起著跟隨的作用。</p><p>　　圖9 1K、10K檔工作原理圖</p><p>　　4.1.4 電機驅(qū)動模塊原理分析</p><p>　　如圖6所示，在步

30、進電機驅(qū)動模塊中，采用了帶光耦隔離，抗干擾能力強的TLP521作為隔離電流保護芯片，其中L297的17腳通過給高低電平來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，而18腳為步進時鐘輸入端，控制每個步數(shù)的時間增量，19腳步進電機的半步或者整步的選擇，10腳為使能控制端，來控制電機的啟停，而經(jīng)過內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路、高壓、大電流雙 H 橋式驅(qū)動器L298來控制電機的正反轉(zhuǎn)（如圖10）。其中圖6上的8個二極管起著續(xù)流保護的作用。</p>

31、<p>　　圖10 L298內(nèi)部原理圖</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　4.2.1 軟件系統(tǒng)總流程圖及設(shè)計思路說明</p><p>　　如圖11所示，在所有程序初始化后，刷新液晶顯示區(qū)，然后進行鍵盤讀取，進而判斷按鍵是否有按下，若是，則執(zhí)行鍵功能；否則直接進入AD值存儲轉(zhuǎn)換，繼而根據(jù)AD值換算成電阻值，最終根據(jù)條件篩選電阻檔

32、位，一輪循環(huán)后，重復(fù)進入液晶顯示區(qū)進行周而復(fù)始的循環(huán)。</p><p>　　圖11 軟件系統(tǒng)總流程圖</p><p>　　4.2.2 軟件各功能模塊的流程圖設(shè)計</p><p>　　如圖12所示，在單片機啟動控制之前，給各個模塊事先均給予初始化，其中包括AD初始化、時鐘初始化、液晶初始化、模式初始化、步進電機初始化等。而進入按鍵控制中；如圖13首先進行按鍵初始化，并

33、且掃描按鍵并讀取鍵值，然后進行按鍵的德判別，看是否在0到9之間，若是，則顯示數(shù)字值，然后退出；若不是，則進入功能值選擇，并且進一步判斷是否大于功能值，若是則退出，若不是，則進入執(zhí)行相應(yīng)的功能，然后退出。</p><p>　　圖12 各初始化模塊流程圖 圖13 按鍵程序流程圖 </p><p>　　自動量程切換過程中，如圖14所示首先程序進入自動切換模

34、式，在初始化后，先對10MΩ的AD值讀取、判定，若AD值比最小值小，則切換到10KΩ檔位，若否，則確認存儲量程并刷新顯示，10KΩ、1kΩ、100Ω亦進行判斷，最終程序結(jié)束。</p><p>　　圖14 自動量程切換程序流程圖</p><p><b>　　5 安裝與調(diào)試</b></p><p><b>　　5.1安裝調(diào)試過程<

35、/b></p><p>　　5.1.1 硬件安裝調(diào)試過程</p><p>　　PCB板制作好后，用萬用表檢測線路連接是否完好，焊接元件的時候是否有虛焊、少焊、短路；單片機電路板接上5V電源，寫一個LCD12864程序測試單片機有沒有電壓輸出，LCD12864液晶屏是否可用；異步電機接上12V電源，看是否可以帶動4.7K電位器的轉(zhuǎn)動；采樣電路9V電源，測試繼電器是否會完全吸合或斷開；各

36、個模塊的電源地是否要公共，各個I/O口連接是否錯誤。</p><p>　　5.1.2 軟件調(diào)試過程</p><p>　　軟件部分需要調(diào)試的主要是要改變軟件中的精確AD值與電阻值的關(guān)系，我們考慮了電阻值與電壓值不是線性關(guān)系，所以我們采取了用查表的方式，在這過程中，我們用電阻箱從1Ω～10MΩ進行了阻值與AD值關(guān)系的測量。</p><p><b>　　5.2

37、故障分析</b></p><p>　　軟件部分只要我們測得的電阻值與AD值準確，以及輸入時的正確，就沒什么錯誤，若出現(xiàn)了錯誤只要稍微的改正即可。因此根據(jù)這種方案設(shè)計的自動電阻測量儀的主要故障出現(xiàn)在硬件部分，硬件的原理的設(shè)計、元件本身的誤差、輸出電壓值的是否符合單片機的要求、制板的工藝等等，都是很難修正的，所以在這過程中，我們不斷的在改正這些硬件上的問題，以達到最大的準確值以及精確度。</p>

38、;<p><b>　　6總結(jié)和感謝</b></p><p>　　通過畢業(yè)設(shè)計使我認識到了理論知識與實踐的重要性，因為我的目標或追求是成績與實踐同步發(fā)展，而我來xx大學(xué)學(xué)到的實踐技術(shù)與學(xué)習(xí)成績是我的關(guān)鍵。而畢業(yè)設(shè)計就是磨練我的理論、實踐、隊友間團結(jié)合作的一個好機會。在制作作品的過程中無論是硬件還是軟件都會遇到一定的問題，吳老師提供電路圖，我們隊員負責的是硬件的制作，而軟件部分則由

39、林老師幫忙負責編寫。在這過程中，我學(xué)會了如何獨立解決問題，如何和隊員分配任務(wù)，只有這樣才能對問題有更深的了解。在學(xué)習(xí)的過程中我付出了很多的努力，在老師的指導(dǎo)下，我學(xué)到了很多的知識，學(xué)會了許多解決問題的方法，也明白了獨立解決問題的重要性。雖然我的大學(xué)學(xué)習(xí)的課程已經(jīng)結(jié)束了,但這并不表示我對學(xué)習(xí)就停止了，在以后的工作空閑時間里，我一定還會繼續(xù)努力理論聯(lián)系實踐制作一些小制作，并且自學(xué)單片機知識，自己獨立編程。</p><p&

40、gt;　　本畢業(yè)設(shè)計由xx老師的悉心指導(dǎo)，以及位同學(xué)的合作完成的；他們認真審閱了全稿，一起通宵熬夜，幫忙編寫程序、提供電路圖、檢查故障、實物安裝等提出了寶貴的意見，對此，我表示衷心的感謝。</p><p><b>　　7 參考文獻</b></p><p>　　1、寇戈．模擬電路與數(shù)字電路．電子工業(yè)出版社．2008年07月</p><p>　　2

41、、周紹敏．電工基礎(chǔ)．高等教育出版社．2006年5月</p><p>　　3、梁潔婷．單片機原理與運用．電子工業(yè)出版社．2009年07月</p><p>　　4、劉金華．單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用．2009 年第28 卷 第11 期</p><p><b>　　8 附錄</b></p>

42、<p>　　附錄一 采樣電路元器件清單</p><p>　　附錄二 步進電機驅(qū)動元器件清單</p><p>　　附錄三 顯示模塊元器件清單</p><p>　　附錄四 使用設(shè)備清單</p><p>　　電烙鐵，四位半數(shù)字萬用表，示波器，計算機，keil編程軟件及STC燒錄軟件等。</p><p><b&

43、gt;　　附錄五 原理圖</b></p><p><b>　　圖1 采樣電路</b></p><p>　　圖2 步進電機驅(qū)動電路</p><p><b>　　圖3液晶顯示電路圖</b></p><p>　　附錄五 PCB板總圖</p><p>　　圖4 采樣電路

44、PCB圖</p><p>　　圖5 步進電機驅(qū)動PCB圖</p><p>　　圖6 單片機控制PCB圖</p><p>　　附錄六 用戶操作說明</p><p>　　鍵盤各個按鍵功能說明：</p><p>　　0～9：精確度數(shù)字輸入鍵</p><p><b>　　A：自動切換鍵<

45、/b></p><p><b>　　B：設(shè)置鍵</b></p><p><b>　　C：還原鍵</b></p><p>　　D：確認/檔位選擇鍵</p><p><b>　　E：曲線描點鍵</b></p><p><b>　　F：暫停鍵&

46、lt;/b></p><p><b>　　功能使用說明：</b></p><p>　　1、手動檔位：在待測電阻裝夾在測試端，用戶可在鍵盤上B設(shè)置鍵選擇相對應(yīng)的測量檔位、0～9：精確度輸入，D確認后，即可進行實時的檢測，LCD12864顯示屏上會顯示相對應(yīng)的阻值以及是否在您需要的精度范圍內(nèi)。</p><p>　　2、自動檔位：在待測電阻裝夾

47、在測試端，只要按下A鍵，即可對各個檔位自動選檔，自動切換量程，同時也可在LCD12864顯示屏上會顯示相對應(yīng)的阻值以及是否在您需要的精度范圍內(nèi)。</p><p>　　3、畫線描點：把待測4.7K電位器接到測試端，按下E畫線描點鍵，即可啟動電機，對電位器進行實時監(jiān)測測量，在此過程中，也可按下F暫停鍵，將暫停電機運轉(zhuǎn)，暫停描點畫線。在此過程中可在LCD12864顯示屏上會顯示電位器轉(zhuǎn)過的角度與阻值的大小的相對應(yīng)的實時

48、曲線。</p><p>　　附錄七 硬件電路板外觀圖</p><p>　　圖 15電路采樣實物圖</p><p>　　圖 16步進電機驅(qū)動實物圖</p><p>　　圖17 電機與電位器實物圖 圖18按鍵實物圖</p><p>　　圖 19 單片機控制及LCD顯示實物圖</p&g