2011全國電子設(shè)計大賽論文-G題(此作品獲全國二等獎)

賽區(qū)：江西賽區(qū)賽區(qū)編號：JXB13003測試人簽字：1簡易電阻測量儀（G題）摘要：隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的的適應(yīng)范圍越來越廣泛，而且智能化逐漸替代舊版產(chǎn)品，在應(yīng)用中我們常常要測量電阻的大小，因此設(shè)計更加可靠，安全，快捷的電阻測量儀，具有極大的現(xiàn)實必要性。本系統(tǒng)由STC89c55單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制核心，通過單片機，經(jīng)過待測電阻Rx后，由儀表放大器OP07采樣并放大Rx兩端電壓，再經(jīng)TLC2543轉(zhuǎn)換送回單片機，進行歐姆定律處理計算，并在12864液晶上顯示。該測量儀可直接從LCD液晶上讀出所測得的電阻值，測量范圍為1Ω～10MΩ測量精度高達±1%，通過單片機的計算測量結(jié)果，并通過12864LCD液晶屏顯示數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)電阻的測量和顯示。通過實際檢測，不僅測量簡便，讀數(shù)直觀，且測量精度、分辨率也高于一般電橋。關(guān)鍵詞：STC89c55單片機TLC2543AD轉(zhuǎn)換LCD液晶屏運放OP071方案選擇與論證１.1電阻測試方案比較電阻測試儀的比較可有多種方案完成，例如利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算器法，電橋檢測法.方案一：可編程邏輯控制器(PLC)應(yīng)用廣泛，它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計中可采用PLC對硬件進行控制，但是用PLC實現(xiàn)價格相對昂貴，因而成本過高，且對其應(yīng)用較生疏。方案二：采用RC振蕩回路，通過測量頻率來計算相應(yīng)的阻值，測量范圍較寬，但振蕩回路受外界干擾較大，測量精度較低，測量誤差不易控制。方案三：采用恒壓源分壓法，通過測量電壓值，采用電壓比例計算R值，該方案電路穩(wěn)定，受外界影響小，測量精度高，且范圍較寬，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，而且設(shè)計時間短，成本低，可靠性高。綜上所述，系統(tǒng)將采用方案三，采用恒壓源分壓法，更為簡便可行，節(jié)約成本。1.2AD轉(zhuǎn)換方案方案一：采用ADC0832ADC0832是串行接口的8位A/D轉(zhuǎn)換器，雙通道A/D轉(zhuǎn)換，輸出輸入電平與TTL/CMOS相兼容，最高轉(zhuǎn)換時間為32US，體積小，使用簡單，價格便宜，但分辨率較低，難以滿足測量需求。方案二：采用12位AD芯片TLC2543，TLC2543為12為串行模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)化過程，最高分辨率達4096，在輸入電壓為0---5V時，電壓精度可達到1.2mv。由于采用串行結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51單片機的IO口資源，價格適中，外圍電路簡單等，穩(wěn)定可靠。在儀表儀器中有廣泛的應(yīng)用。經(jīng)比較系統(tǒng)選用方案二，使用高精度的TLC2543，能夠在電路中很好的完成本次系統(tǒng)要求。1.5量程切換方案1可采用硬件編碼或選碼開關(guān)選擇，但此法硬件電路較復(fù)雜，造價偏高且使用不便。2才用軟件編程計算自動選擇檔位量程，造價很低電路簡單，自動轉(zhuǎn)換操作簡單等。所以選擇方案2。1.6單片機方案在整個電路中，電阻計算和顯示，量程的自動換等復(fù)雜任務(wù)的處理都要依靠單片機來完成，所以采用一款我們熟煉，可靠，高性能的單片機，是保證我們完成整個任務(wù)的基石，在眾多優(yōu)秀芯片中ATMEL公司的AT89Sxx系列和STC89Cxx系列較好，他們都采用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，且價格相比同類產(chǎn)品非常便宜，具有很高的性價比功能強大、應(yīng)用成熟，但ATMEL儲存ROM較小需要外擴，STC89c55R+滿足要求且速度比ATMEL要快可以更好的完成任務(wù)。所以在系統(tǒng)我們采用我們常用的高性能CMOS8位微控制器STC89c55R+。1.7數(shù)據(jù)顯示方案方案一：采用字符型LCD1602液晶顯示器。微功耗、尺寸小，超薄輕巧，價格便宜，但顯示信息量較少，僅限于字符，不能顯示圖形，難以滿足設(shè)計需求，方案二：采用無字庫LCD12864，12864是128*64點陣液晶模塊，控制器為KS0108或兼容ST7920T6963C。12864顯示信息量大、字跡清晰、穩(wěn)定，美觀、視覺舒適低功耗，能夠顯示圖形。系統(tǒng)選擇方案二，可以用中文LCD2864液晶進行豐富的菜單顯示，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。2論分析與計算2.1電阻測量原理分壓即電阻串聯(lián)分壓，在電路中被測電阻Rx將和一個高精度的已知基準電阻R2串聯(lián)，在兩個電阻的兩端加一個已知的恒定電壓V，設(shè)Rx兩端的電壓為V1，R2兩端的電阻為V2，根據(jù)歐姆定律，R1/(Rx+R2)*V=Vx化簡可得R1=(Vx*R2)/(V-Vx)由于Vx，R2，已知，Vx由電路自動測量得到，經(jīng)過單片機計算可得出被測電阻的阻值。2.2自動量程轉(zhuǎn)換與篩選功能輸入想要的電阻值和電阻的誤差值，通過單片機的采樣和歐姆定律的計算可以選出想要的電阻值，并且通過的測試品會有聲光提示和OK顯示，不符合的會讀出當前阻值并顯示NO。2.3電位器阻值變化曲線裝置系統(tǒng)進入曲線測試后先檢測電位器現(xiàn)在狀態(tài)，如不在0Ω時電機讓電位器復(fù)位到0Ω,然后啟動電機勻速轉(zhuǎn)動，同時統(tǒng)用內(nèi)部中斷定時每隔時間t檢測采樣電位器當前電壓坐標軸上劃出點然后坐標點連接形成曲線顯示給用戶。3功能模塊介紹3.1系統(tǒng)總體方框圖整個系統(tǒng)可由四部分組成，比例分壓電路，AD轉(zhuǎn)換電路，量程切換，單片機最小系統(tǒng)，鍵盤電路，電機驅(qū)動，顯示電路組成。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體方框圖3.2電源模塊圖2電源因單片機最大只可用5.5V供電，OP07運放則需要正負雙電源供電保證它的穩(wěn)定工作和精確度故采用此穩(wěn)壓正負電源加上單片機使用的5V正穩(wěn)壓綜合電路。電路圖如圖2所示。3.3比例分壓電路設(shè)計圖3比例分壓電路與識別在電路中，7805構(gòu)成恒壓源，R1,R4為兩個高精度基準電阻，RX為被測電阻，雙刀雙置開關(guān)SW2實現(xiàn)100，1K，10K三個自動量程擋位到10M檔位的切換。電路圖如圖3所示。AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計TLC2543為12位的A/D轉(zhuǎn)化芯片，有14個模擬輸入通道，分辨率達4096。程序設(shè)計采用模擬通道AIN0端，并用OP07做輸入緩沖，提高電路穩(wěn)定性。以SPI總線的接口方式與單片機進行連接，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時傳送。電路圖如圖4所示。圖4TLC2543連接電路3.4單片機最小系統(tǒng)及顯示電路設(shè)計圖5單片機最小系統(tǒng)及顯示電路3.5鍵盤電路設(shè)計圖64*4矩陣鍵盤電路圖7H橋電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路矩陣鍵盤較編碼鍵盤和獨立按鍵鍵電路簡單陳本較低控制較易和節(jié)省系統(tǒng)I/0口。電路圖如圖6所示。3.6電機驅(qū)動H橋設(shè)計此電路假設(shè)給P1.4給“1”信號，P1.6給“0”則電流從左上方三極管進入經(jīng)過電機從右下角到地，電機正轉(zhuǎn)，反之電機就反轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。電路圖如圖7所示。4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件基于KEILC51開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)，基本流程圖如下圖8程序主流程圖5測試方法及測試結(jié)果5.1操作說明首先檢查AC220V電壓是否標準，然后接通電源，3S后系統(tǒng)會自動進入使用界面（默認電阻測量），實物面板簡介見附錄1。操作步驟如下：1.電阻大小測量：開機默認進入（或功能鍵進入）界面，撥到對應(yīng)測量范圍檔上接入電阻便可度數(shù)2.電阻篩選：功能鍵選擇進入功能輸入預(yù)設(shè)阻值→加入待測電阻3.電位器特性曲線自動測試：功能鍵選擇進入功能手動給電位器清零（電位器原點）后系統(tǒng)自動開始測試，繪完曲線等待下次測試5.2測試方案及測試條件5.2.1電阻測量測試測試方法：在各自量程范圍內(nèi)，每一個量程測5種不同阻值的電阻，采用4位半高精度VC9807A+萬用表和普通三位半VC830L數(shù)字萬用表做參考對照。測量數(shù)據(jù)表格如表1~4所示。表1量程：100Ω（室溫下）標識阻值5.1Ω10Ω51Ω68Ω86ΩVC830L測量值5.1Ω10Ω51Ω68Ω86Ω電阻測量儀值5Ω10Ω51Ω68Ω86Ω表2量程：1KΩ（室溫下）標識阻值150Ω360Ω470Ω560Ω820ΩVC830L測量值147Ω356Ω465Ω549Ω821Ω電阻測量儀值149Ω354Ω467Ω554Ω879Ω表3量程：10KΩ（室溫下）標識阻值1kΩ2kΩ56kΩ4.7kΩ10kΩVC830L測量值998Ω1.98kΩ56.8kΩ4.5kΩ9.8kΩ電阻測量儀值997Ω1.98kΩ57kΩ4.64kΩ9.98kΩ表4量程：10MΩ（室溫下）標識阻值15kΩ100kΩ150kΩ1MΩ8MΩVC830L測量值15.3Ω100.7kΩ147kΩ1.01MΩ7.82MΩ電阻測量儀值15kΩ101kΩ149kΩ1.01MΩ7.96MΩ由上表可知，在不需要人為干預(yù)下，系統(tǒng)可自動進行100Ω、1KΩ、10KΩ三量程的自動切換，穩(wěn)定可靠，在兆歐擋時與高精度數(shù)字萬用表相差也很小5.2.2自動量程切換測試測試方法：任選多個阻值在自動量程范圍內(nèi)的不同電阻，接入測量儀測試其自動量程切換功能。5.2.3篩選功能測試測試方法：在測量儀中設(shè)定需要篩選的電阻值，和誤差范圍，并任選多個阻值在所有量程范圍內(nèi)的不同電阻，接入測量儀測試其篩選功能。測試數(shù)據(jù)見表5所示表5電阻篩選功能測試數(shù)據(jù)VC9807測量值4.754.814.684.664.73阻值誤差0.8%2.3%0.4%0.8%0.6%篩選接果符合(OK)不符合（NO）符合（OK）符合（OK）符合(OK)5.2.4電位器阻值變化曲線裝置測試測試方法：任選一個阻值在量程范圍內(nèi)的電阻，首先用標準萬用表采取手動方式測量各點阻值并畫出其阻值變化曲線圖，作為參照，然后將電位器接入測量儀中，觀察其變化曲線情況并和前者做比較。測試圖形拍攝效果如圖9所示。圖9電位器阻值變化曲線5.3測試結(jié)果通過實際使用測試，和對測量數(shù)據(jù)的分析，整個系統(tǒng)系統(tǒng)完成了以下指標:1.系統(tǒng)電阻測量量程可100Ω、1KΩ、10KΩ、10M四檔可調(diào)，測量準確度可達±（1%讀數(shù)+2字），達到基本要求。2.系統(tǒng)可三位有效數(shù)字顯示阻值，能自動顯示小數(shù)點和單位，達到基本要求。3.系統(tǒng)具有100Ω、1KΩ、10KΩ三量程自動切換功能，達到作品基本要求。4.系統(tǒng)具有自動篩選功能，可任意設(shè)定要篩選的電阻值和誤差值，實現(xiàn)電阻自動篩選功能，實現(xiàn)發(fā)揮部分第一點要求。5.系統(tǒng)能夠自動測量并顯示電位器阻值曲線變化圖，實現(xiàn)發(fā)揮部分第二點要求。所有的測試過程嚴格按照要求來進行，所有測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果準確真實有效。6結(jié)論儀器類的作品往往各方面都具有嚴格的要求，尤其是精確度這方面，所以高精度是我們在設(shè)計整個電路時的基本原則，所以在作品在最終測試時，確實在這一塊發(fā)揮很好，達到我們預(yù)計結(jié)果。我們在完成題目基本要求的同時，還對功能做了擴展，做了良好的人機交互界面，使其更具實用性。能夠完成整個作品的制作與我們豐富的理論知識與優(yōu)秀的動手能力和有好的合作是分不開的，我想我們已經(jīng)準備好迎接更多更大挑戰(zhàn)。參考文獻：《信號與系統(tǒng)》，沈元隆周井全編，北京：人民郵電出版社，2007年；《C程序設(shè)計》，譚浩強著，北京：清華大學(xué)，2005年；《電子技術(shù)