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1、2011年全国大学生电子设计竞赛参赛报告YZ-G2011年9月1日摘 要本系统以恒压源电路为核心，以STC89C52RC为主控制器，首先电路输入12V的电源通过TL431得到2.5V的输出电压，它经过调节LM324运放的倍数，使得输出电压为恒定的5V。得到恒定的5V电压输向由100欧、1000欧、10千欧和10兆欧的档位。在100欧，1000欧，10千欧档位分别接上一个继电器，使其实现自动换挡功能。为了保证通过待测电阻分得的电压稳定的输到MCU里，我们设计了一个OP07电压跟随器，它的特点是输入阻抗高，而输出阻抗低。从而使输入电压等于输出电压，这样就减少了误差。再由ADC0804将模电转为数电
2、输给MCU，最后再LCD12864上显示所测电阻值、档位。关键词：STC89C52RC; 自动量程转换；A/D转换；电阻测试目 录1 系统方案41.15V恒压源的设计51.2AD的论证与选择51.3 电阻测量模块51.4 驱动模块61.5 液晶模块71.6 换挡模块72 系统设计72 总体设计方案72.1 系统的硬件模块设计82.1.1 STC89C52RC最小系统82.1.2 驱动模块92.1.3 液晶模块102.1.4 +5V恒压源模块102.1.5 自动换挡模块112.1.6 AD模块112.2软件设计123系统理论分析与计算133.1 电阻测量的分析133.1.1 电阻测量原理133.
3、1.2 测电阻的具体方法143.1.3 电阻测试的方法144 测试方案与测试结果144.1 测试方案144.1.1硬件测试144.1.2硬件软件联调144.2 测试条件与仪器154.3 测试结果及分析154.3.1测试结果(数据)154.3.2测试分析与结论15五、附录17附录1：电路原理图17附录2：源程序17附录3：主要元器件清单26一、方案论证1 系统方案本系统主要由恒压源模块、AD模块、电阻测量模块、驱动模块、液晶模块、换挡模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 5V恒压源的设计【方案一】直接采用电源供电，电压大小为5V。通过该种方式能够直接给单片机供电，且直接方便，但是在设计
4、项目中不能够准确无误的进行电阻的测量。达不到自动换挡能诸多功能，且不能很好的达到预期的效果。【方案二】还有可以采用12位DA连接OPA548,再跟随送至STC89S52内部的AD采样处理控制12位DA电流输出，从而就形成了闭环的5V恒压。同时也满足5V恒压源要求，而OPA548具有优良的信号精度、高输出电压、高输出电流、成本低的特点；但此方案电路较为复杂，芯片用的多因此没达到想要的效果。【方案三】我们可以采用输入个12V的电压。串联一个1K电阻再通过三端稳压的TL431使得电压为2.5V，最后通过经过LM324把从TL431来的2.5V电压放大一倍得到5V的输出电压。为了使得输入电压为5V，我
5、们在LM324上串联1K的电阻和一个可调电阻。这样就设计了一个输出稳定的5V恒压源了。此电路只用到了TL431和LM324，电路简单实用，芯片价格低廉。因此此方案很适用。综合比较，基于芯片的成本和芯片的功能的考虑，所以我们选择方案三。1.2 AD的论证与选择【方案一】ADS1255是德州仪器(TI)Burr-Brown 产品线推出针对工业应用、具有业界最高性能的模数转换器(ADC).其由模拟多路开关(MUX)、输入缓冲器(BUF)、可编程增益放大器(PGA)、四阶-调制器再加一个可编程数字滤波器组成，完美组合了一流的无噪声精度、数据速率以及多种功能，为设计人员提供了全套高精度测量解决方案，非常
6、适用于包括科学仪器、工艺控制、医疗设备与秤重设备等要求苛刻的工业应用领域。但对于不带SPI串行总线接口的STC89C52RC单片机来说无法使用此转换器。【方案二】ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理。它的主要电气特性如下：工作电压：5V，即VCC5V；模拟输入电压范围：05V，即0Vin5V；分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0255之间；转换时间：100us（fCK640K
7、Hz时）；转换误差：1LSB；参考电压：2.5V，即Vref2.5V。综合比较，基于我们用STC89C52RC控制整个电路的考虑，所以我们选择方案二。1.3 电阻测量模块【方案一】通过采用直流电桥，这是一种测量电阻的最为精密方法，其优点是所测的结果精确，但是实验原理不易懂，需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，程序过程较复杂，容易造成误差变大，使用不方便。如图1：图1 直流电桥【方案二】电阻分压法。如图2：图2 电阻分压电路将待测电阻Rx和基准电阻R串联在电路中。由于电阻分压的作用，当串联到电路上的电阻Rx的值不同时其Rx上分的压降也不同。通过测量上Vx便可求得Rx。，该方案
8、原理简单，理论上只要参考电阻精确，就可以测量任何阻值的电阻，但实际上由于AD的分辨率有限，当待测电阻很大或是很小时就很难测出Rx上的压降Vx，从而使测量范围缩小，要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD的分辨率。这无疑会增加系统的复杂性和成本。综合上面两个方案从对测量精度要求而言，方案一需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比较而言，方案二还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。故本设计选择了方案二。1.4 驱动模块【方案一】uln2003有16个引脚其中有七个输入七个输出，8号引脚接地，9号引脚接12V或5V，比如用的四相五线步进电机，
9、步进电机公共端接5V，其余四个线接驱动芯片的四个输出端，然后单片机或外围电路接上ULN2003的四个输入引脚，这样挨个给脉冲就能转一定角度。但它只能接5V，并且转速慢，噪声较大，所以不能满足要求。【方案二】L298N主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W；抗干扰能力强；可实现正反转；采用光电隔离。它是专用驱动集成电路可以接至12v，驱动能力强。而且L298N属于H桥集成电路，它是保护L298N内部三极管的二极管。如果当要把电机反转，这时候电机可能会产生一个高于电源的反向电动势，可能会损坏内部的三级管，所以加上二极管。
10、就用IN4001、IN4007这些大功率的二极管即可。有电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。综合比较，基于电路的工作电压和电流的考虑，所以我们选择方案二。1.5 液晶模块【方案一】1602是字符型模组，只能显示数字与字符,不可以显示汉字，它为16字乘2行，屏幕为2行，每行显示16个字符。屏幕小，并且不可以显示汉字等等方面都不如12864因此不选此方案。【方案二】12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。可根据需求任意显示字符、数字、图形，也可以显示84个
11、(1616点阵)汉字。它为128列点阵乘64行点阵，屏幕为64行，每行显示128个字符。综上方案，基于电路的需求考虑，我们选用外形更美观，可以显示汉字，每行字符显示的更多的12864为液晶显示。及选择的是方案二。1.6 换挡模块【方案一】惠斯通电桥是电子测量电路中应用的一种重要的组合电路。包括平衡的惠斯通电桥和非平衡的惠斯通电桥。此电路由4个电阻臂、1个直流电流源和1个检流计组成。检流计类似于灵敏电流表，指针可以左右偏转，当指针指向中心位置时，表明通过检流计的电流为0。当输出电压为0V时，电桥平衡，当输出电压大于0V时，电桥不平衡。【方案二】继电器属于一种微电控制器件，它实际上是用较小的电流去
12、控制较大电流的一种自动开关。它具有控制系统又称输入回路和被控制系统又称输出回路，通常应用于自动控制电路中充当开关，故在电路中起着自动调节安全保护转换电路等作用。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。综上方案，基于方便的实现换挡功能并自动调节安全保护转换电路等作用，我们选择方案二。2 系统设计
13、2 总体设计方案根据题目要求，经过认真分析，我们制定出了总体的设计方案，我们使用的主控制器是STC89C52RC，首先电路输入12V的电源通过TL431得到2.5V的输出电压，它经过调节LM324运放的倍数，使得输出电压为恒定的5V。得到恒定的5V电压输向由100欧、1000欧、10千欧和10兆欧的档位。在100欧，1000欧，10千欧档位分别接上一个继电器，使其实现自动换挡功能。为了保证通过待测电阻分得的电压稳定的输到MCU里，我们设计了一个OP07电压跟随器，它的特点是输入阻抗高，而输出阻抗低。从而使输入电压等于输出电压，这样就减少了误差。再由ADC0804将模电转为数电输给MCU，最后再
14、LCD12864上显示所测电阻值、档位。如图3所示：12V的电源TL431LM324自动换挡器继电器OP07跟随器ADC0804AT89C52显示12864驱动L298N5V2.5V12V待测电阻图3 系统设计总体框架图2.1 系统的硬件模块设计2.1.1 STC89C52RC最小系统STC89C52RC是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。它的最小系统能
15、够运行的必要条件是：电源、晶振、复位电路。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（3239脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。如图4所示：图4 STC89C52RC最小系统2.1.2 驱动模块驱动芯片L298N双H桥直流
