毕业设计报告简易自动电阻测试仪.docx
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毕业设计报告简易自动电阻测试仪
毕业设计报告
设计题目：
简易自动电阻测试仪
设计作者：
陈占标
专业班级/学号：
09机电（4）班（0906060***）
合作者1：
刘春水专业班级/学号：
09机电（4）班（0906060***）
合作者2：
廖乃建专业班级/学号：
09机电（4）班（0906060***）
指导教师：
林**
设计时间：
2011年12月05日——2012年01月08日
目录
1引言3
2设计任务及要求3
2.1设计任务3
2.2设计要求3
3系统总体设计4
3.1系统结构框图设计及说明4
3.2方案论证4
3.2.1控制器模块4
3.2.2测量模块方案论证选择5
3.2.3显示模块比较和选择6
3.2.4电机驱动模块方案比较和选择7
4软、硬件设计8
4.1系统硬件设计8
4.1.1100Ω档工作原理分析8
4.1.210MΩ档工作原理分析9
4.1.31K、10K档工作原理分析9
4.1.4电机驱动模块原理分析10
4.2系统软件设计11
4.2.1软件系统总流程图及设计思路说明11
4.2.2软件各功能模块的流程图设计12
5安装与调试14
5.1安装调试过程14
5.1.1硬件安装调试过程14
5.1.2软件调试过程14
5.2故障分析14
6总结和感谢15
7参考文献15
8附录16
附录一采样电路元器件清单16
附录二步进电机驱动元器件清单16
附录三显示模块元器件清单17
附录四使用设备清单17
附录五PCB板总图19
附录六用户操作说明21
附录七硬件电路板外观图22
1引言
本简易自动电阻测试仪由STC12C5A60S2为主控制器。
待测电阻Rx经LM353、TL431搭建的测量电路由单片机控制继电器量程调整，再经转换送回单片机，单片机进行数据采集分析后可在LCD12864液晶上显示相应数字和单位，该测量仪测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。
具有自动电阻筛选功能，即在进行电阻筛选测量时，用户通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值的同时，给出该电阻是否符合筛选要求的指示。
单片机通过对异步电机的旋转角度控制可自动实现对4.7K的电位器自动描画出阻值随角度变化的曲线。
2设计任务及要求
2.1设计任务
设计并制作一台简易自动电阻测试仪。
2.2设计要求
1．基本功能
（1）测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。
测量准确度为±（1%读
数＋2字）。
（2）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。
（3）100Ω、1kΩ、10kΩ三档量程具有自动量程转换功能。
2．发挥部分
（1）具有自动电阻筛选功能。
即在进行电阻筛选测量时，用户通过键盘输
入要求的电阻值和筛选的误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值的同时，
给出该电阻是否符合筛选要求的指示。
（2）设计并制作一个能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线的
辅助装置，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。
辅助装置连接的示意图如图1所示。
图1辅助装置连接示意图
3系统总体设计
3.1系统结构框图设计及说明
在电阻测量时，通过对按键的输入，控制继电器的吸合对100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四个档位进行手动选择或自动选档，待测电阻经过恒流/压源、放大电路，一系列的A/D、D/A转换后，经由单片机输出，将在LCD12864液晶显示屏上显示相对应的档位以及当前的所测的电阻阻值，亦可通过键盘输入，针对可调4.7K电位器，进行实时的曲线描点功能，即在LCD12864液晶显示屏上显示实时的电位器通过电机旋转的角度与阻值大小的相应实时曲线。
为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。
图2系统结构框图
3.2方案论证
为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。
3.2.1控制器模块
在控制模块选择上，我们有以下几种方案，具体如下：
方案1：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD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。
采用并行的输入输出方式，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。
方案2：
采用STC公司的12C5A60S2单片机作为主控制器。
STC12C5A60S2是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。
且该系列的52单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。
相比之下STC12C5A60S2的性价比较高且CPLD用于较高端的电路，所以选择2方案。
3.2.2测量模块方案论证选择
在采样测量模块方案选择中，我们有4个备选方案，具体如下：
方案1：
用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。
典型运放恒流源如图2所示，本方案电流不是特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。
电流计算公式为：
I=Vin/R1。
图3恒流源电路图
方案2：
TLC2272搭建的恒流源如图4所示，利用运放TLC2272比较电压，控制CMOS管的电流大小，并且不受前面电路的影响，可输出较大电流最大可达4A左右，且稳定性良好、精度高，但是调试难度系数偏高，场效应管容易烧毁。
图4TLC2272恒流源电路
方案3：
LM353与TL431组成的恒流源如图5两者的配合互补了相对的缺陷，I=U/Rx且不需要稳压管，相对方案3而言经济效益较高，调试和稳定性优于以上一系列方案。
综合以上分析，故我们选择了方案3。
图5LM353与TL431恒流源电路
3.2.3显示模块比较和选择
在显示模块选择过程中，我们有以下三种方案，分别为：
方案1：
用数码管进行直接显示。
数码管直接接到单片机上不仅占用端口，显示具有局限性，而且还要另外制作AD采样和数码驱动电路，比较繁琐，因此我们放弃了此方案。
方案2：
用ZLG7290键盘显示电路显示。
由于ZLG7290键盘显示电路有两个四位数码管显示，但是按键显示不够稳定，程序设计较繁琐，因此我们放弃了此方案。
方案3：
使用LCD12864液晶显示屏。
液晶显示屏具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强，可灵活用于画图、画线等特点，符合本次设计任务的要求。
故采用此方案。
3.2.4电机驱动模块方案比较和选择
电机转动过程中需要精密测出相应转过的角度，这就要求电机的灵敏度高，受惯性的影响较小，所以直流电机不满足要求。
故我们采用了带光耦隔离，利用抗干扰能力强的TLP521作为隔离保护；利用L297进行PWM脉宽平滑调速与输出限流保护；利用L298实现电机驱动及其正反转，并采用二极管进行续流保护。
整体电路如图6所示：
图6步进电机驱动电路
4软、硬件设计
4.1系统硬件设计
4.1.1100Ω档工作原理分析
如图7所示，该恒流源电路由TL431和三极管组成，当电压开始升高时，流经三极管Q1的偏流电流也增大，从而导致流经R11的电流也大幅增大，R11的电压降也增大。
但一旦R11电压升高，TL431就会动作而使它的阴阳极的电流大幅增加（分流三极管的偏流电流），最终结果是使R11的电压回到2.5V为止。
因为三极管的基极偏流电流大小是很小的，它的微小变化就会带来其发射极电流的大变化，所以基极电流的变化对恒流大小的变化可以忽略不计的。
所以这样的电路其输出电流几乎不受输入电压的变化影响的。
而经过R11的电流则由I=2.5V/R11决定，当R11固定时，I就会不变，从而实现恒流！
而继电器K5则是由单片机控制，当P10给一个低电平，三极管Q4集电极与发射集开通，继电器吸合，起到了控制的作用，而LM353跟随器跟随一级，而跟随器具有具有较高的输入电阻和很低的输出电阻，它能缓冲，可以将前后两级隔开，让前级不受后极负载大小的影响，能保持前级的放大倍数性能不变，从而达到精确度的要求。
图7100Ω档工作原理图
4.1.210MΩ档工作原理分析
如图8所示,TL431一脚产生2.5V电压，而待测电阻Rx经过R35和R36分压后，得到的一个分压值经过继电器的吸合通过跟随器LM353，由跟随器的7脚输VO2至单片机进行A/D转换。
而并联在继电器上的二极管起到了保护作用，一般继电器线圈匝数较多，在释放瞬间会产生一个较高电压的感应电动势，这个电动势对驱动三极管有威胁，并联在线圈两端的二极管就是短路这个感应电动势的，避免击穿驱动管。
当P10给一个低电平，三极管Q4集电极与发射集开通，继电器吸合，起到了控制的作用，而LM353跟随器跟随一级，而跟随器具有具有较高的输入电阻和很低的输出电阻，它能缓冲，可以将前后两级隔开，让前级不受后极负载大小的影响，能保持前级的放大倍数性能不变，从而达到精确度的要求。
图810MΩ档工作原理图
4.1.31K、10K档工作原理分析
如图9所示,当TL431的一脚稳压一个2.5V，当Rx阻值确定的情况，单片机通过A/D值的识别，控制继电器的吸合来控制档位的选择，同时R1、R2和Rx并联分压或者R3、R4和Rx同时也是并联分压，分别决定着1K档和10K档，而LM353同时还是起着跟随的作用。
图91K、10K档工作原理图
4.1.4电机驱动模块原理分析
如图6所示，在步进电机驱动模块中，采用了带光耦隔离，抗干扰能力强的TLP521作为隔离电流保护芯片，其中L297的17脚通过给高低电平来控制步进电机的正反转，而18脚为步进时钟输入端，控制每个步数的时间增量，19脚步进电机的半步或者整步的选择，10脚为使能控制端，来控制电机的启停，而经过内部包含4信道逻辑驱动电路、高压、大电流双H桥式驱动器L298来控制电机的正反转（如图10）。
其中图6上的8个二极管起着续流保护的作用。
图10L298内部原理图
4.2系统软件设计
4.2.1软件系统总流程图及设计思路说明
如图11所示，在所有程序初始化后，刷新液晶显示区，然后进行键盘读取，进而判断按键是否有按下，若是，则执行键功能；否则直接进入AD值存储转换，继而根据AD值换算成电阻值，最终根据条件筛选电阻档位，一轮循环后，重复进入液晶显示区进行周而复始的循环。
图11软件系统总流程图
4.2.2软件各功能模块的流程图设计
如图12所示，在单片机启动控制之前，给各个模块事先均给予初始化，其中包括AD初始化、时钟初始化、液晶初始化、模式初始化、步进电机初始化等。
而进入按键控制中；如图13首先进行按键初始化，并且扫描按键并读取键值，然后进行按键的德判别，看是否在0到9之间，若是，则显示数字值，然后退出；若不是，则进入功能值选择，并且进一步判断是否大于功能值，若是则退出，若不是，则进入执行相应的功能，然后退出。
图12各初始化模块流程图图13按键程序流程图
自动量程切换过程中，如图14所示首先程序进入自动切换模式，在初始化后，先对10MΩ的AD值读取、判定，若AD值比最小值小，则切换到10KΩ档位，若否，则确认存储量程并刷新显示，10KΩ、1kΩ、100Ω亦进行判断，最终程序结束。
图14自动量程切换程序流程图
5安装与调试
5.1安装调试过程
5.1.1硬件安装调试过程
PCB板制作好后，用万用表检测线路连接是否完好，焊接元件的时候是否有虚焊、少焊、短路；单片机电路板接上5V电源，写一个LCD12864程序测试单片机有没有电压输出，LCD12864液晶屏是否可用；异步电机接上12V电源，看是否可以带动4.7K电位器的转动；采样电路9V电源，测试继电器是否会完全吸合或断开；各个模块的电源地是否要公共，各个I/O口连接是否错误。
5.1.2软件调试过程
软件部分需要调试的主要是要改变软件中的精确AD值与电阻值的关系，我们考虑了电阻值与电压值不是线性关系，所以我们采取了用查表的方式，在这过程中，我们用电阻箱从1Ω～10MΩ进行了阻值与AD值关系的测量。
5.2故障分析
软件部分只要我们测得的电阻值与AD值准确，以及输入时的正确，就没什么错误，若出现了错误只要稍微的改正即可。
因此根据这种方案设计的自动电阻测量仪的主要故障出现在硬件部分，硬件的原理的设计、元件本身的误差、输出电压值的是否符合单片机的要求、制板的工艺等等，都是很难修正的，所以在这过程中，我们不断的在改正这些硬件上的问题，以达到最大的准确值以及精确度。
6总结和感谢
通过毕业设计使我认识到了理论知识与实践的重要性，因为我的目标或追求是成绩与实践同步发展，而我来黎明职业大学学到的实践技术与学习成绩是我的关键。
而毕业设计就是磨练我的理论、实践、队友间团结合作的一个好机会。
在制作作品的过程中无论是硬件还是软件都会遇到一定的问题，吴老师提供电路图，我们队员负责的是硬件的制作，而软件部分则由林老师帮忙负责编写。
在这过程中，我学会了如何独立解决问题，如何和队员分配任务，只有这样才能对问题有更深的了解。
在学习的过程中我付出了很多的努力，在老师的指导下，我学到了很多的知识，学会了许多解决问题的方法，也明白了独立解决问题的重要性。
虽然我的大学学习的课程已经结束了,但这并不表示我对学习就停止了，在以后的工作空闲时间里，我一定还会继续努力理论联系实践制作一些小制作，并且自学单片机知识，自己独立编程。
本毕业设计由林老师、吴老师、郭老师、骆老师的的悉心指导，以及刘春水、廖乃建两位同学的合作完成的；他们认真审阅了全稿，一起通宵熬夜，帮忙编写程序、提供电路图、检查故障、实物安装等提出了宝贵的意见，对此，我表示衷心的感谢。
7参考文献
1、寇戈．模拟电路与数字电路．电子工业出版社．2008年07月
2、周绍敏．电工基础．高等教育出版社．2006年5月
3、梁洁婷．单片机原理与运用．电子工业出版社．2009年07月
4、刘金华．单片机实现数据采集[J]．自动化技术与应用．2009 年第28 卷第11 期
8附录
名称
数量
参数
封装
名称
数量
参数
封装
变压器
1
35W/AC220V输入，DC12V输出
无
电容
2
2200uf/45V
RB.2/.4
继电器
4
G5V-1-24V
无
二极管
4
1N4007
Diode0.4
散热片
4
MC-200
无
三极管
4
9014
To-92a
保险丝
2
F1.5AL250M
无
7805
1
TO-126
端子排
1
无
7905
1
TO-126
LM353
2
DIP8
7812
1
TO-126
TL431
3
TO-92a
7912
1
TO-126
附录一采样电路元器件清单
名称
数量
参数
封装
名称
数量
参数
封装
变压器
1
3A/12V
无
二极管
8
FR157
Diode0.4
L297
1
Dip20
电感
1
380uH
Rad0.2
L298
1
无
散热片
1
MC-200
无
TLP521
1
DIP16
端子排
3
无
LM275
1
Sip5
步进电机
1
无
4.7K电位器
1
无
固定板
2
无
附录二步进电机驱动元器件清单
附录三显示模块元器件清单
名称
数量
参数
封装
名称
数量
参数
封装
STC12C5A60S2
1
Dip40
电源
1
1A/5V
无
12864液晶屏
1
90*70*14
无
开关
1
8*8*8
无
按键
17
8*8
Dip4
排线
1
8针
无
附录四使用设备清单
电烙铁，四位半数字万用表，示波器，计算机，keil编程软件及STC烧录软件等。
附录五原理图
图1采样电路
图2步进电机驱动电路
图3液晶显示电路图
附录五PCB板总图
图4采样电路PCB图
图5步进电机驱动PCB图
图6单片机控制PCB图
附录六用户操作说明
键盘各个按键功能说明：
0～9：
精确度数字输入键
A：
自动切换键
B：
设置键
C：
还原键
D：
确认/档位选择键
E：
曲线描点键
F：
暂停键
功能使用说明：
1、手动档位：
在待测电阻装夹在测试端，用户可在键盘上B设置键选择相对应的测量档位、0～9：
精确度输入，D确认后，即可进行实时的检测，LCD12864显示屏上会显示相对应的阻值以及是否在您需要的精度范围内。
2、自动档位：
在待测电阻装夹在测试端，只要按下A键，即可对各个档位自动选档，自动切换量程，同时也可在LCD12864显示屏上会显示相对应的阻值以及是否在您需要的精度范围内。
3、画线描点：
把待测4.7K电位器接到测试端，按下E画线描点键，即可启动电机，对电位器进行实时监测测量，在此过程中，也可按下F暂停键，将暂停电机运转，暂停描点画线。
在此过程中可在LCD12864显示屏上会显示电位器转过的角度与阻值的大小的相对应的实时曲线。
附录七硬件电路板外观图
图15电路采样实物图
图16步进电机驱动实物图
图17电机与电位器实物图图18按键实物图
图19单片机控制及LCD显示实物图
图20简易自动电阻测试仪总实物图
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