基于STM32的简易自动电阻测量仪(软件设计)

1、宜宜 宾宾 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计 基于基于 STM32STM32 的简易自动电阻测量仪（软件设计）的简易自动电阻测量仪（软件设计） 系系 部部 电电子子信信息息工工程程 系系 专专 业业 名名 称称 电电子子信信息息工工程程技技 术术 班班 级级 电电 子子1 1 0 0 9 9 1 1 班班 姓姓 名名 尹尹 小小 东东 学学 号号 2 2 0 0 0 0 9 9 1 1 1 1 1 1 6 6 6 6 指指 导导 教教 师师 王王 伯伯 黎黎 20112011 年年 1111 月月 1010 日日 目录目录 摘摘 要要-2 2 1 1、方案论证与选择、方案论证与选择

2、-4 4 1.11.1 核心控制芯片核心控制芯片 -4 4 1.21.2 档位切换模块档位切换模块 -4 4 1.31.3 ADCADC 采样电路采样电路-5 5 1.41.4 显示模块显示模块 -5 5 1.51.5 键盘控制电路键盘控制电路 -5 5 2 2、系统设计、系统设计-6 6 2.12.1 系统总体思路系统总体思路 -6 6 2.22.2 系统硬件模块设计系统硬件模块设计 -7 7 2.2.12.2.1 电源电路设计电源电路设计-7 7 2.2.22.2.2 恒压源电路设计恒压源电路设计-7 7 2.2.32.2.3 档位切换电路设计档位切换电路设计-8 8 2.2.42.2.4

3、 电压跟随电路设计电压跟随电路设计-9 9 2.2.52.2.5 电机驱动电路设计电机驱动电路设计-1010 2.32.3 软件设计软件设计 -1111 3 3、系统测试、系统测试-1212 4 4、设计总结、设计总结-1313 参考文献参考文献-1313 附录附录-1414 附录附录 1 1 主要元件清单主要元件清单 -1414 附录附录 2 2 产品实物图片产品实物图片 -1414 摘摘 要要 本系统由闭环恒压源电路、闭环测量电路、电机驱动电路三大部分构成。 其中一路 DAC、恒压电路、电压跟随电路、一路 12 位 ADC 构成闭环恒压源电路； 档位切换电路、电压跟随电路、虚拟触摸键盘、一

4、路 12 位 ADC 构成闭环测量电 路；L298N 驱动电路、步进电机、4.7K 旋转式单圈电位器构成自动测量和显 示电位器阻值随旋转角度变化曲线的辅助装置。 恒压源所输出的 5V 电压，通过档位切换电路，加到由 TLC2202 构成的电压 跟随电路上输出来，送回单片机，经过单片机内部的一路 12 位 ADC 处理后，通 过程序运算，得出被测电阻的阻值，并在 3.2 寸的 TFTLCD 上显示出来。 单片机给驱动电路输入相应的指令，去控制步进电机，来旋转电位器得到 不同的电阻值，通过已经做好的测量装置送给单片机处理后在屏幕上显示出阻 值变化的曲线。 经测试，100 档时误差为 0.08%，1

5、K 档时误差为 0.04%，10K 档时误 差为 0.07%，1M 档时误差为 0.09%，电路具备自动换挡功能。通过键盘输入 的要求的阻值和误差后，屏幕能显示出被测电阻阻值，并显示出该电阻是否符 合筛选要求。电机旋转电位器所得到的阻值变化曲线，也能在屏幕上显示出来， 精准度为 0.09573%。全部测量符合要求。 关键词：关键词：闭环恒压；闭环测量；档位切换；自动测量 Abstract The system is composed of closed loop constant pressure source circuit, the closed- loop measurement cir

6、cuit, drive circuit constitute three most of the motor. Among them all the way, constant pressure circuit, DAC voltage circuit, all the way with 12 of the closed loop constant pressure source ADC constitute circuit; The gear switching circuit, voltage followed circuit, virtual touch keyboard, and 12

7、 of the ADC constitute a closed loop all measurement circuit; L298N drive circuit, step motor, 4.7 K rotary lap potentiometer automatic measurement and display a potentiometer resistance curve with rotation Angle of auxiliary devices. Constant pressure source output 5 V voltage, through the gear swi

8、tching circuit, add to the TLC2202 consists of the following output voltage circuit, back to the microcontroller, single chip internal all the way after the treatment and 12 of the ADC, through the program operation, and concludes that the measured resistance of the resistance, and in 3.2 inch TFT-L

9、CD displayed. Single chip microcomputer to drive circuit input the corresponding instruction, to control the stepping motor, to rotate the potentiometer get different resistance, through the measurement device has been ready to deal with in single chip after showed on the screen of the curve of the

10、resistance changes. By test, 100 file error is 0.08% when, 1 K file error is 0.04% when, 10 K file error is 0.07% when, 1 M file error is 0.09% when, circuit with automatic shift function. Through the keyboard input requirements of the resistance and error, and the screen can show the measured resis

11、tance tolerance, and shows that the resistance is in accordance with the screening requirements. Motor rotation from the potentiometer resistance changes curve, also can be in the screen, the accuracy of 0.09573%. All measurements meets the requirement. Keywords: closed loop constant pressure; The c

12、losed-loop measurement; Switch gear; Automatic measurement 1 1、方案论证与选择、方案论证与选择 1.11.1 核心控制芯片核心控制芯片 方案一方案一 STC89C52 单片机是一种运用很广泛的 8 Bits MCU，易于操作，价格便宜。 但功耗较高，内部资源太少，不能够满足本设计的需求。 方案二方案二 MSP430F149 是 TI 公司推出的一种 16 位超低功耗、具有精简指令的混合信 号处理器，时钟频率在 8 MHz 左右。内部集成了一路 12 位的 ADC,要实现系统 设计要求双闭环电路就需外接一路 12 位 ADC。虽然具有

13、超低功耗的性能，却因 此损失很多其他的性能。 方案三方案三 STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计 的 ARM Cortex-M3 内核。STM32F103ZET6 属于 STM32 系列中的“增强型” 系列，时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品，内置 512K 的闪 存。具有丰富的片上外设和很强的运算能力。内部集成了三路 12 位 ADC（和多 达 18 路 AD 采样通道），完全满足系统设计所要求的双闭环电路。 经比较，STM32F103ZET6 是最佳的选择，能够完全满足设计需求，且节 约很多的外部电路，故选择方案三。 1.21.2 档位切

14、换模块档位切换模块 方案一方案一 使用四只可控硅构成档位切换电路。可控硅是一种具有三个 PN 结的四层 结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能 强等特点。但成本高，无触点，控制相对复杂，容量小，功耗大，发热严重。 方案二方案二 使用四个继电器模块构成档位切换电路。继电器是当输入电压达到规定值 时，使相应的档位导通或断开。并且技术成熟可靠，控制简单，触点容量相对 较大，成本低，几乎零功耗，发热量很小。在电路中能起到自动调节、安全保 护、转换电路等作用。在导通和断开的同时能够发出“嗒”的一声，使本设计 更加形象化。 经比较，继电器能够达到设计要求，且能够使系统更加形象

15、化，选择方案 二。 1.31.3 ADCADC 采样电路采样电路 方案一方案一 使用 TI 公司生产的一块 24 位的芯片 ADS1255。该芯片虽然能满足设计需 求，但是成本较高，降低了整个产品的性价比，且需外接使用。 方案二方案二 使用 STM32F103ZET6 单片机内部自带的两路 12 位 ADC，完全能够满足系统 设计，使用起来方便，减少硬件电路模块，节约成本，大大提高产品的性价比。 经比较，使用 STM32F103ZET6 内部的两路 ADC，易于操作，且能够提高产 品的性价比，故选择方案二。 1.41.4 显示模块显示模块 方案一方案一 使用带有中文字符的 128*64 液晶显

16、示。128*64 液晶结构简单，易于控制， 但分辨率太低，在做发挥部分时不能很清晰的显示由电位器的变化所形成的各 点连成的曲线。 方案一方案一 使用 3.2 寸 TFT-LCD。3.2 寸 TFT-LCD，是具有 26 万色 TFT240 x320 分辨率 高清晰显示屏，16 位真彩显示，可以显示数字、字符、图片、显示内容丰富， 能够很清晰的显示本设计中所要求的各种参数以及发挥部分中由电位器的变化 所形成的各点连成的曲线。自带触摸屏，可以用来作为控制输入。 经比较，选择方案二。 1.51.5 键盘控制电路键盘控制电路 方案一方案一 使用自制 4*4 矩阵键盘。这样操作相对简单，易于控制，但是这

17、样操作就 会增加电路整体设计的难度，会在一定程度上降低测试的准确度。 方案二方案二 使用软件编程来实现触摸键盘控制，虽难度较大，但本组的编程人员完全 有能力做好此项目。模拟触摸键盘能减小硬件电路的难度，有效提高测试的准 确度，这也是本设计中的一大亮点。 经比较，选择方案二。 2 2、系统设计、系统设计 2.12.1 系统总体思路系统总体思路 STM32 F103ZET6 D/A恒压源芯片 恒压采样 电压跟随A/D 固定电阻网络 档位切换 待测电阻 电压跟随A/D 显示器 键盘 电源模块 恒压环 测量环 步进 电机 接地 5V 图图 2.12.1 系统框图系统框图 本系统采用一片 STM32F1

18、03ZET6 单片机为核心控制器。整个电路分为两个 闭环电路，即恒压环和测量环。如图 2.1 所示。 当单片机输出一路 2.48V 的电压信号，经过 D/A 转换后，送给由恒压源芯 片 OPA548 及其外围电路构成的恒压源，输出 5V 的恒定电压，再经过一个恒压 采样电路，把 5V 的电压信号送给由 TLC2202 构成的电压跟随电路，最后由单片 机内部的一路 12 位 A/D 转换电路，送回单片机。这样，就构成了闭环恒压源。 当恒压源输出 5V 的电压后，另一路经过由四个定值电阻构成的电阻网络传 送给档位切换电路，其中根据 R=U/I 可算出流经整个测试电路的电流值。当被 测电阻接到电路中

19、后，把被测电阻上的电压值通过一个由 TLC2202 构成的电压 跟随器，最后由单片机内部的一路 12 位 A/D 转换电路，送回单片机。在单片机 内部，通过程序控制，运用 R=U/I 算出被测电阻的阻值，并显示到屏幕上去。 这样，就构成了闭环测试电路。 由单片机去控制步进电机，来旋转电位器得到不同的电阻值，通过已经做 好的测量装置送给单片机处理后在屏幕上显示出阻值变化的曲线。 2.22.2 系统硬件模块设计系统硬件模块设计 2.2.12.2.1 电源电路设计电源电路设计 整个电路采用正负 5V 和正负 12V 两路电源供电，图 2.2 所示为正负 5V 电 路，图 2.3 为正负 12V 电路

20、。其中恒压源电路、驱动电机需要正负 12V 的供电； STM32F103ZET6 最小系统、档位切换电路、采样电路需要 5V 的供电。 图图 2.22.2 正负正负 5V5V 电路电路 图图 2.32.3 正负正负 12V12V 电路电路 2.2.22.2.2 恒压源电路设计恒压源电路设计 由于系统设计中闭环恒压源和闭环测量都需要一个固定的 5V 电压，故设计 了由 OPA548 及其外围元件构成的恒压源电路，如图 2.4 所示。在输入的电压有 一定波动范围时，能够保证输出了一个波动范围极小的 5V 电压，这样，在电路 进行采样时能够得到一个很准确的值，使得测出的电阻值误差大大降低。 图图 2

21、.42.4 恒压源电路恒压源电路 2.2.32.2.3 档位切换电路设计档位切换电路设计 档位切换电路如图 2.5 所示（给出了一路档位的原理图，其他档位电路一 致） ，由固定电阻网络、继电器两部分构成。 其中，固定电阻网络由四只定值电阻构成，由于单片机能够采集的电压超 过 3.3V 就会采样不精确，采集电压设定为 3.3V。其阻值可根据以下的分压公 式计算得出来。 100 档时，假定被测电阻值为 100，则 3/5=100/100+R。计算可得 R=66.6，即 100 档固定电阻值为 66.6。 1K 档时，假定被测电阻值为 1K，则 3/5=1K/1K+R。计算可得 R=666， 即 1

22、K 档固定电阻值为 666。 10K 档时，假定被测电阻值为 10K，则 3/5=10K/10K+R。计算可得 R=6.6K，即 10K 档固定电阻值为 6.6K。 10M 档时，假定被测电阻值为 10M，则 3/5=10M/10M+R。计算可得 R=6.66M，即 10M 档固定电阻值为 6.66M。 四个继电器组成档位切换时电路的通断，当系统检测到被测电阻上所产生 的电压降时，会在单片机内部在相应的运算处理，然后在 I/O 口上输出一个高 电位，使相对应的继电器“嗒”的一声导通，测出被测电阻的阻值，显示到屏 幕上去。 图图 2.52.5 档位切换电路档位切换电路 2.2.42.2.4 电压

23、跟随电路设计电压跟随电路设计 电压跟随电路如图 2.6 所示。整个系统电路设计中，有两处用到了电压跟 随电路，在闭环恒压源电路和闭环测量电路中，电压跟随电路主要起阻抗匹配 的作用。TLC2202 具有输入阻抗高，输出阻抗低的原理，所以能够很好的阻隔 前级电路过大的电流，而把电压不变的输出来，完成采样的过程，最终在单片 机内部完成一系列的运算。 图图 2.62.6 电压跟随电路电压跟随电路 2.2.52.2.5 电机驱动电路设计电机驱动电路设计 图图 2.72.7 电机驱动电路电机驱动电路 根据题目的要求，设计并制作了一个由步进电机来控制电位器的自动旋转 装置，如图 2.7 所示。在本模块电路设

24、计中，用 L298N 来驱动步进电机工作， 步进电机旋转的同时，就带动电位器的旋转，电位器的旋转，其阻值就在不停 的变化，通过单片机在内部处理后，最终在屏幕上显示出电阻值变化的曲线来。 2.32.3 软件设计软件设计 开始 基本部分 初始化配置 发挥部分 手动换挡自动换挡电阻筛选描绘曲线 屏幕显示 结束 图图 2.82.8 系统软件设计流程图系统软件设计流程图 3 3、系统测试、系统测试 测试方式为：首先在精密电阻箱上给出一个阻值，然后用数字万用表测得 为多大阻值，再用本产品测试，并记录，根据公式(实测电阻值-万用表测得值)/ 万用表测得值计算出误差，并观察档位是否自动正常跳转。 档位档位待测

25、电阻值待测电阻值 万用表万用表 测试测试 实测实测误差误差 是否正确是否正确 跳转档位跳转档位 1002929.1290.04% 是 1004746.9470.03% 是 1008382.8883.10.02% 是 10099.810099.90.1% 是 1007676.0376.020.01% 是 1K780779.8780.020.05% 是 1K395394.9395.10.03% 是 1K243242242.20.02% 是 1K190189189.040.01% 是 1K892893.1892.90.06% 是 10K5.6K5.61K5.609K0.07% 是 10K4.3K4.29K4.289K0.1% 是 10K9.8K9.797K9.8K0.11% 是 10K6.2K6.19K6.2K0.09% 是 10K1K999999.80.08% 是 10M12M11.99M12.01M0.09% 是 10M6M5.98M5.99M0.07% 是 10M7.39M7.4M7.399M0.03% 是 10M8.2M8.198M8.201M0.04% 是 10M2M1.