优质毕业设计报告简易自动电阻测试仪.doc

毕业设计汇报

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***）

指导老师： 林**

设计时间： 12月05日——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
4.1.1 100Ω档工作原理分析 8
4.1.2 10MΩ档工作原理分析 9
4.1.3 1K、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 软件系统总步骤图及设计思绪说明 11
4.2.2 软件各功效模块步骤图设计 12
5 安装和调试 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 参考文件 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液晶上显示对应数字和单位，该测量仪测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。含有自动电阻筛选功效，即在进行电阻筛选测量时，用户经过键盘输入要求电阻值和筛选误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值同时，给出该电阻是否符合筛选要求指示。单片机经过对异步电机旋转角度控制可自动实现对4.7K电位器自动描画出阻值随角度改变曲线。
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．基础功效
（1）测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。测量正确度为±（1%读
数＋2 字）。
（2）3 位数字显示（最大显示数必需为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三档量程含有自动量程转换功效。
2．发挥部分
（1）含有自动电阻筛选功效。即在进行电阻筛选测量时，用户经过键盘输
入要求电阻值和筛选误差值；测量时，仪器能在显示被测电阻阻值同时，
给出该电阻是否符合筛选要求指示。
（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改变曲线
辅助装置，要求曲线各点测量正确度为±（5%读数＋2 字）,全程测量时间不
大于10 秒,测量点不少于15 点。辅助装置连接示意图图1 所表示。

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，经过对按键输入，控制继电器吸合对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A/D、D/A转换后，经由单片机输出，将在LCD12864液晶显示器上显示相对应档位和目前所测电阻阻值，亦可经过键盘输入，针对可调4.7K电位器，进行实时曲线描点功效，即在LCD12864液晶显示器上显示实时电位器经过电机旋转角度和阻值大小对应实时曲线。
为很好实现各模块功效，我们分别设计了多个方案并分别进行了论证。

图2 系统结构框图
3.2 方案论证
为很好实现各模块功效，我们分别设计了多个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，我们有以下多个方案，具体以下：
方案1：采取可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD能够实现多种复杂逻辑功效、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功效扩展。采取并行输入输出方法，提升了系统处理速度，适合作为大规模控制系统控制关键。
方案2：采取STC企业12C5A60S2单片机作为主控制器。STC12C5A60S2是一个低功耗，高性能51内核CMOS 8位单片机，片内含8k空间可反复擦1000次Flash只读存放器，含有256 bytes随机存取数据存放器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。且该系列52单片机能够不用烧写器而直接用串口或并口就能够向单片机中下载程序。
相比之下STC12C5A60S2性价比较高且CPLD用于较高端电路，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，具体以下：
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be电流造成误差。经典运放恒流源图2所表示，本方案电流不是尤其正确，其中场效应管也能够用三极管替换。电流计算公式为：I = Vin/R1。

图3 恒流源电路图
方案2：TLC2272搭建恒流源图4所表示，利用运放TLC2272比较电压，控制CMOS管电流大小，而且不受前面电路影响，可输出较大电流最大可达4A左右，且稳定性良好、精度高，不过调试难度系数偏高，场效应管轻易烧毁。

图4 TLC2272恒流源电路

方案3： LM353和TL431组成恒流源图5二者配合互补了相正确缺点，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5 LM353和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，显示含有不足，而且还要另外制作AD采样和数码驱动电路，比较繁琐，所以我们放弃了此方案。
方案2：用ZLG7290键盘显示电路显示。因为ZLG7290键盘显示电路有两个四位数码管显示，不过按键显示不够稳定，程序设计较繁琐，所以我们放弃了此方案。
方案3：使用LCD12864液晶显示器。液晶显示器含有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示和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，符合此次设计任务要求。故采取此方案。
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对应转过角度，这就要求电灵巧敏度高，受惯性影响较小，所以直流电机不满足要求。故我们采取了带光耦隔离，利用抗干扰能力强TLP521作为隔离保护；利用L297进行PWM脉宽平滑调速和输出限流保护；利用L298实现电机驱动及其正反转，并采取二极管进行续流保护。整体电路图6所表示：

图6 步进电机驱动电路

4 软、硬件设计
4.1系统硬件设计
4.1.1 100Ω档工作原理分析
图7所表示，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偏流电流也增大，从而造成流经R11电流也大幅增大，R11电压降也增大。但一旦R11电压升高，TL431就会动作而使它阴阳极电流大幅增加（分流三极管偏流电流），最终止果是使R11电压回到2.5V为止。因为三极管基极偏流电流大小是很小，它微小改变就会带来其发射极电流大改变，所以基极电流改变对恒流大小改变能够忽略不计。所以这么电路其输出电流几乎不受输入电压改变影响。而经过R11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集电极和发射集开通，继电器吸合，起到了控制作用，而LM353跟随器跟随一级，而跟随器含有含有较高输入电阻和很低输出电阻，它能缓冲，能够将前后两级隔开，让前级不受后极负载大小影响，能保持前级放大倍数性能不变，从而达成正确度要求。

图7 100Ω档工作原理图

4.1.2 10MΩ档工作原理分析
图8所表示, TL431一脚产生2.5V电压，而待测电阻Rx经过R35和R36分压后，得到一个分压值经过继电器吸合经过跟随器LM353，由跟随器7脚输VO2至单片机进行A/D转换。而并联在继电器上二极管起到了保护作用，通常继电器线圈匝数较多，在释放瞬间会产生一个较高电压感应电动势，这个电动势对驱动三极管有威胁，并联在线圈两端二极管就是短路这个感应电动势，避免击穿驱动管。当P10给一个低电平，三极管Q4集电极和发射集开通，继电器吸合，起到了控制作用，而LM353跟随器跟随一级，而跟随器含有含有较高输入电阻和很低输出电阻，它能缓冲，能够将前后两级隔开，让前级不受后极负载大小影响，能保持前级放大倍数性能不变，从而达成正确度要求。

图8 10MΩ档工作原理图
4.1.3 1K、10K档工作原理分析
图9所表示,当TL431一脚稳压一个2.5V，当Rx阻值确定情况，单片机经过A/D值识别，控制继电器吸合来控制档位选择，同时R1、R2和Rx并联分压或R3、R4和Rx同时也是并联分压，分别决定着1K档和10K档，而LM353同时还是起着跟随作用。

图9 1K、10K档工作原理图

4.1.4 电机驱动模块原理分析
图6所表示，在步进电机驱动模块中，采取了带光耦隔离，抗干扰能力强TLP521作为隔离电流保护芯片，其中L29717脚经过给高低电平来控制步进电机正反转，而18脚为步进时钟输入端，控制每个步数时间增量，19脚步进电机半步或整步选择，10脚为使能控制端，来控制电机启停，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来控制电机正反转（图10）。其中图6上8个二极管起着续流保护作用。

图10 L298内部原理图
4.2 系统软件设计
4.2.1 软件系统总步骤图及设计思绪说明
图11所表示，在全部程序初始化后，刷新液晶显示区，然后进行键盘读取，进而判定按键是否有按下，若是，则实施键功效；不然直接进入AD值存放转换，继而依据AD值换算成电阻值，最终依据条件筛选电阻档位，一轮循环后，反复进入液晶显示区进行周而复始循环。

图11 软件系统总步骤图

4.2.2 软件各功效模块步骤图设计
图12所表示，在单片机开启控制之前，给各个模块事先均给初始化，其中包含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；图13首优异行按键初始化，而且扫描按键并读取键值，然后进行按键德判别，看是否在0到9之间，若是，则显示数字值，然后退出；若不是，则进入功效值选择，而且深入判定是否大于功效值，若是则退出，若不是，则进入实施对应功效，然后退出。

图12 各初始化模块步骤图 图13 按键程序步骤图

自动量程切换过程中，图14所表示首先程序进入自动切换模式，在初始化后，先对10MΩAD值读取、判定，若AD值比最小值小，则切换到10KΩ档位，若否，则确定存放量程并刷新显示，10KΩ、1kΩ、100Ω亦进行判定，最终程序结束。

图14 自动量程切换程序步骤图

5 安装和调试
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，看是否能够带动4.7K电位器转动；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
软件部分需要调试关键是要改变软件中正确AD值和电阻值关系，我们考虑了电阻值和电压值不是线性关系，所以我们采取了用查表方法，在这过程中，我们用电阻箱从1Ω～10MΩ进行了阻值和AD值关系测量。
5.2 故障分析
软件部分只要我们测得电阻值和AD值正确，和输入时正确，就没什么错误，若出现了错误只要稍微更正即可。所以依据这种方案设计自动电阻测量仪关键故障出现在硬件部分，硬件原理设计、元件本身误差、输出电压值是否符合单片机要求、制板工艺等等，全部是极难修正，所以在这过程中，我们不停在更正这些硬件上问题，以达成最大正确值和正确度。

6总结和感谢
经过毕业设计使我认识到了理论知识和实践关键性，因为我目标或追求是成绩和实践同时发展，而我来拂晓职业大学学到实践技术和学习成绩是我关键。而毕业设计就是磨练我理论、实践、队友间团结合作一个好机会。在制作作品过程中不管是硬件还是软件全部会碰到一定问题，吴老师提供电路图，我们队员负责是硬件制作，而软件部分则由林老师帮忙负责编写。在这过程中，我学会了怎样独立处理问题，怎样和队员分配任务，只有这么才能对问题有更深了解。在学习过程中我付出了很多努力，在老师指导下，我学到了很多知识，学会了很多处理问题方法，也明白了独立处理问题关键性。即使我大学学习课程已经结束了,但这并不表示我对学习就停止了，在以后工作空闲时间里，我一定还会继续努力理论联络实践制作部分小制作，而且自学单片机知识，自己独立编程。
本毕业设计由林老师、吴老师、郭老师、骆老师悉心指导，和刘春水、廖乃建两位同学合作完成；她们认真审阅了全稿，一起通宵熬夜，帮忙编写程序、提供电路图、检验故障、实物安装等提出了宝贵意见，对此，我表示衷心感谢。
7 参考文件
1、寇戈．模拟电路和数字电路．电子工业出版社．07月
2、周绍敏．电工基础．高等教育出版社．5月
3、梁洁婷．单片机原理和利用．电子工业出版社．07月
4、刘金华．单片机实现数据采集[J]．自动化技术和应用． 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， DC 12V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
键盘各个按键功效说明：
0～9：正确度数字输入键
A：自动切换键
B：设置键
C：还原键
D：确定/档位选择键
E：曲线描点键
F：暂停键

功效使用说明：
1、手动档位：在待测电阻装夹在测试端，用户可在键盘上B设置键选择相对应测量档位、0～9：正确度输入，D确定后，即可进行实时检测，LCD12864显示器上会显示相对应阻值和是否在您需要精度范围内。
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显示器上会显示相对应阻值和是否在您需要精度范围内。
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，即可开启电机，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显示器上会显示电位器转过角度和阻值大小相对应实时曲线。

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 电机和电位器实物图 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