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1、无锡商业职业技术学院全国电子设计大赛设计论文项目：简易自动电阻测试仪参赛人员：李宇伟、周建龙、叶中英院 系： 电子工程学院 指导老师： 李泓、何丹 时 间： 2011年8月31日 参赛编号： 510032 摘要： 本设计介绍了一种简易自动电阻测试仪，包括系统的硬件和软件设计。本测试仪以CYGNAL公司的C8051Fxxx型单片机C8051F410构成的最小系统为控制核心，由电阻测量模块，步进电机驱动模块，LCD显示、按键模块，电源电路等模块构成。能够为 100、1k、10k、10M四档进程量程，测量准确度为（1%读数2 字）；100、1k、10k三档量程具有自动量程转换功能。另外本系统还具有具
2、有自动电阻筛选、自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线等功能。关键词：C8051F 电阻测量 步进电机驱动 目 录一、前言2二、方案比较与论证22.1 电阻测量方案论证与选择22.2 A/D模块方案论证与选择32.3 电机模块方案论证与选择32.4电机驱动模块论证与选择42.5 微控制器模块论证与选择42.6 显示模块论证与选择5三、系统硬件电路设计53.1 系统总体设计53.2 电阻测量硬件电路设计63.3 步进电机驱动模块硬件设计63.4 液晶显示、按键模块硬件设计73.5电源电路模块8四、系统软件设计94.1 主程序设计94.2 子程序设计10五、系统调试及系统功能、指标参数125.
3、1 主要测试仪器125.2 基本功能测试125.3 发挥部分功能测试135.4 其他功能测试13六、设计总结14参考文献15附录16一、前言本次竞赛G题要求设计并制作一台简易自动电阻测试仪。能够对100、1k、10k、10M四个量程档进行测量，测量准确度为（1%读数2 字）；3 位数字显示（最大显示数必须为 999），能自动显示小数点和单位,测量速率大于 5 次/秒；100、1k、10k三档量程具有自动量程转换功能；具有自动电阻筛选功能等任务。根据该题目的要求，我们组设计了以下几种方案并对各方案进行了论证与分析。二、方案比较与论证在进行本设计前我们对各功能模块进行了比较论证和选择。2.1 电阻
4、测量方案论证与选择方案一：交流电桥测量法交流电桥的构造及原理均与直流惠斯通电桥相同，电源使用交流电，四臂的阻抗 Z1、Z2、Z3、Z4，可以用电阻、电感、电容或其他组合，电桥平衡的条件是此条件显示交流电桥不同于直流电桥：首先条件有两个，因此，需要调节两个参数才能使电桥平衡；其次，阻抗的多样性可以组合成各具特色的电桥，但非所有电桥都能同时满足达到平衡的条件。方案二：LM334恒流源测量法该方法是给待测电阻提供一个恒定电流，利用单片机的 AD 采集其两端的电压来确定其电阻值。此种方法简单易行，但是由于电阻变化范围是10010M，电压变化范围太大，而单片机AD 输入范围有限，所以至少需要六个挡才能实
5、现要求的指标。方案三：直接测量法，也叫转换测量法。测量时，把电阻欧姆先转换成别的量再测量。比如把被测量电阻施加以一个已知的电压，那么再测量流过电阻的电流，根据欧姆定律，这个电流与电阻成正比。因此，我们采用测量这个电压，就可以得到电阻值。直接测量简单快速，但转换后很多因素直接参与误差贡献，比如恒流源的精度、电压表的精度都直接影响被测电阻值。方案四：电阻电压转换测量法，采用R/U转换器将被测电阻转换成电压，经转换后得到的直流电压经A/D转换器转换为数字信号，由单片机控制输出显示被测电阻值到LCD。经过讨论，我们选择了方案四作为我们测量电阻的最终方案。2.2 A/D模块方案论证与选择方案一：采用专门
6、的A/D芯片来完成电压的采集与转换，在测量速度和精度上都能满足本设计的要求，但是需要额外的硬件，故性价比不高，且增加了系统的功耗。方案二：采用单片机C8051F410内部有一个12位SAR ADC和一个27通道单端输入多路选择器，该ADC的最大转换速率为200ksps。既能满足设计的要求有可以节省硬件电路开支。经比较我们采用方案二。2.3 电机模块方案论证与选择方案一：采用直流电机直流电机速度快，价格便宜，通过调节电流来改变速度，驱动电路简单，调速范围广，调速特性平滑。但其转距小，带有大负载时很容易堵转；而且由于其速度较快，不易控制，精确度低，不适合应用在本题。方案二：采用减速电机减速电机也是
7、通过控制电流来改变速度的，而且其内部有减速齿轮箱，转距大，速度较步进电机快。不适合应用在本设计。方案三：采用步进电机步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构，通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，其精确度高。通过分析题目要求，步进电机可以达到题目要求的精度，而且价格适中，控制简单。综上所述，我们决定采用步进电机。2.4电机驱动模块论证与选择方案一：采用大功率三极管，二极管，电阻电容等元件 采用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。但由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。方案二
8、：采用L297+L298驱动芯片L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能；其输出电压最高可达50V，可用单片机的I/O口提供信号，采用一块L298+一块L297芯片可一驱动一个两相步进电机，电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。而且该电机驱动芯片使用细分方式时能克服步进电机在低频工作时会有振动大、噪声大的缺点。综上所述，我们决定采用方案二。2.5 微控制器模块论证与选择方案一：采用可编程逻辑器件CPLDCPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。其采用并行的输入输出方式，
9、提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高，且从使用及经济的角度考虑，我们放弃了此方案。方案二：采用单片机控制器选用CYGNAL公司的C8051F41x器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达 50MIPS），全速、非侵入式的在系统调试接口（片内），真12位200ksps的24通道ADC，带模拟多路器，两个12位电流输出 DAC，高精度可编程的 24.5MHz 内部振荡器，达32KB 的片内 FLASH 存储器，低功耗，性价比高，完全可以胜任本系统的控制工作
10、。综上所述，我们决定采用方案二。2.6 显示模块论证与选择方案一：使用数码管显示数码管具备数字接口，显示清晰，价格较低，性价比非常高，方便易行能够满足数字及部分符号的显示，但是不能显示字符及绘图，故不能满足本设计的要求。方案二：采用图形液晶显示图形液晶屏具有显示质量高，数字式接口，体积小，质量轻，功耗功率小的特点，能够满足数字及图形符号的显示，能够满足本设计的要求。综上所述，我们决定采用方案二。三、系统硬件电路设计 3.1 系统总体设计本简易自动电阻测试仪采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型单片机C8051F410。该系统主要包括电阻测量模块，步进电机驱动模块，LCD显示、按键模块，电
11、源电路等功能模块。基于上述各方案的论证与分析，我们确定了最终方案。系统的总体结构框图如图图所示。L297+L298步进电机驱动模块单片机最小系统板液晶显示模块按键模块电阻测试电路步进电机电源供电模块图3.1.1 系统总体设计框图为了满足发挥部分能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线，要求曲线各点的测量准确度为（5%读数2 字）,全程测量时间不大于 10 秒,测量点不少于 15 点。特设计了一个辅助装置连接的示意图如图所示。图 辅助装置连接示意图3.2 电阻测量硬件电路设计电阻电压转换测量法，采用R/U转换器将被测电阻转换成电压，经转换后得到的直流电压经A/D转换器转换为数字信号，由单片机
12、控制输出显示被测电阻值到LCD。被测电阻R接到测量端子上，电阻网络和运算放大器构成量程转换和电阻电压转换电路，经转换后得到的直流电压经A/D转换器转换为数字输出显示被测电阻值，电路原理如图所示。图 电阻测量原理图3.3 步进电机驱动模块硬件设计我们用L297+L298来驱动两相步进电机，L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可
13、分别接电动机，本设计我们选用驱动一台电动机。其中CLK,DIR,EN分别接单片机P0.2，P0.3，P0.1口，D1D4快恢复二极管用来泄放绕组电流。为保证L298N正常工作，我们加装片外续流二极管IN4007，详细步进电机的控制原理图如图3.3.1所示。图3.3.1 步进电机驱动模块电路原理图3.4 液晶显示、按键模块硬件设计显示模块我们采用了图形液晶屏，它具有显示质量高，数字式接口，体积小，质量轻，功耗功率小的特点，能够满足数字及图形符号的显示，能够满足本设计的要求接口电路原理如图所示。图 液晶接口电路原理图按键电路采用6个独立式按键，其中当键S1按下时，功能键用于切换电阻测量和电阻筛选功
14、能及电位器曲线测量；当S2、S3、S4、S5键按下时，是在电阻筛选界面有用，S2用于切换电阻值还是误差值；S3是切换电阻的单位是欧姆、K、M；S4是切换输入的哪一位；S5是在切换到的当前位改变数值；S6是电位器曲线测量界面时有用，按一次执行一次电位器曲线测量；电路原理如图3.3.2所示。图 按键连接电路原理图3.5电源电路模块本系统需要用到+12V和5V三种电源，步进电机采用+12V供电，运放OP07采用5V供电，其他各模块电路采用+5V供电，由三端稳压集成电路LM7812、LM7805和LM7905构成的直流稳压电源能够满足本设计的要求，电路框图如图3.5.1所示，电路原理图如图3.5.2所示。这样可以保持整个系统稳定可靠运行。220V市电桥式整流滤波电路LM7812LM7805LM7905+12V+5V-5V图 电源电路框图图 电源电路原理图四、系统软件设计本系统的软件设计采用模块化设计的方法，整个程序包括主程序、A/D数据采集转换子程序、LCD显示程序、按键处理字程序。所有的程序均采用C语言编写，可以很方便地调试和下载程序代码。限于篇幅，本文只给出主程序的流程图及按键处理流程图。4.1 主程序设计系统主程序流程图如图图 所示。图 主程序流程图4.2 子程序设计子程序流程图如图图所示。图4.2.1 按键处理流程图五、系统调试及系统功能、指标参数5.1 主要测试仪器（1）
