基于STM32简易自动电阻测试仪的硬件设计.doc

宜宾职业技术学院
毕业设计

简易自动电阻测试仪的硬件设计

系 部 电子信息工程系
专 业 名 称 电子信息工程技术
班 级 电子1091班
姓 名 古 亮 亮
学 号 200910305
指 导 教 师 廖 建 文

2012 年 02 月 10 日

宜宾职业技术学院电子信息工程系 简易自动电阻测试仪的硬件设计

简易自动电阻测试仪的硬件设计
摘 要
本设计由电源模块，STM32F103ZET6单片机小系统模块，OPA548构成的5V恒压模块，继电器构成的换挡测电阻模块，步进电机模块，3.2寸TFT（Thin Film Transistor 薄膜场效应晶体管)真彩触摸屏显示模块组成。该设计是通过单片机控制一个内部集成的12位DA给OPA548运放芯片输入电压，从而控制运放芯片的输出电压，再送给继电器构成的换挡测电阻模块，最后通过测试电阻上产生的电压来判断所测电阻值。其中STM32单片机小系统还控制内部集成的两个12位AD，一个采集当OPA548输出的值，构成一个闭环系统使OPA548输出恒压5V，一个采集待测电阻值，从而控制继电器换挡测出待测电阻值。

关键词：STM32F103ZET6 12位AD/DA 继电器 3.2寸TFT真彩触摸屏

Easy Auto resistance tester hardware design
Abstract

The design of the power supply module, STM32F103ZET6 small single-chip system module, OPA548 constitute 5v constant pressure module, relay module consisting of the shift resistor, stepper motor module, 3.2-inch TFT (Thin Film Transistor film field-effect transistor) color touch screen display module. The design is controlled by an internal integrated single-chip 12-bit DA chip to OPA548 op-amp input voltage, thereby controlling the output voltage op-amp chip, and then sent to the relay module consisting of the shift resistor, and finally by testing the voltage on the resistor to determine the measured resistance value. STM32 microcontroller which controls a small system also integrates the two 12-bit AD, a collection when the OPA548 output value to form a closed loop system so that OPA548 output constant 5v, a collection test resistance value, thereby controlling the relay shift measured measured resistance values.

Keywords: STM32F103ZET6; 12-bit AD / DA; relay; 3.2-inch; TFT color touch; screen

目 录
1 引 言 1
2 系统方案论证与选择 2
2.1 主控芯片的选择 2
2.2 5V恒压模块的选择 2
2.3 显示模块的选择 3
3 系统设计 4
3.1系统总框图 4
3.2 系统设计思路 4
4 硬件电路设计 6
4.1电源模块的设计 6
4.2 OPA548构成的5V恒压模块设计 6
4.3 继电器构成的自动换挡测电阻模块 7
4.4 电机驱动模块 8
4.5 TFT触屏显示模块 9
5 软件设计 10
6 系统测试 11
6.1 100档位的测试 11
6.2 1KΩ档位的测试 11
6.3 10KΩ档位的测试 12
6.4 10MΩ档位的测试 12
7 设计总结 13
参考文献 14
致 谢 15
附录
附录1 主要元器件清单
附录2 STM32F103ZET6小系统板原理图
附录3 单片机小系统板转接板PCB图
附录4 恒压源PCB图
附录5 产品实物图片
III

宜宾职业技术学院电子信息工程系 简易自动电阻测试仪的硬件设计
简易自动电阻测试仪的硬件设计
1 引 言
目前人们广泛使用的电阻测试仪是万用表，用万用表测试电阻有两个缺陷：其一大多数时候测试一个电阻就需要人为的换挡。其二不能自动筛选电阻，需要人为判断。万用表不能快速智能的完成电阻的阻值测量及筛选且使用起来过程繁琐，使人们在设计检修电路时时间加长，而在设计检修中我们希望能够快速的测量电阻的阻值，自动完成电阻阻值的测量筛选。基于以上运用本人设计了“简易自动电阻测试仪”。

2 系统方案论证与选择
2.1 主控芯片的选择
方案一：采用STC89C52系列单片机。STC89C52系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，但此系列单片机为8位单片机，处理速度不是很快，且内部资源太少，不能满足设计要求。
方案二：采用TI公司MSP430系列单片机。MSP430系列的单片机是一种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。内部集成了一个12位DAC和一路12位的ADC，如果要实现系统设计要求双闭环电路就需外接一路12位ADC，使电路复杂。
方案三：采用ST公司的STM32系列单片机STM32F103ZET6。STM32系列单片机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和高达18路AD采样通道，完全满足系统设计所要求的双闭环电路。
比较以上三种方案：STC89C52 单片机内部资源太少，MSP430F149单片机内部ADC不够用，STM32F103ZET6具有MSP430的所有优点，且内部资源丰富，能够完全满足设计需求，故选择方案三。

2.2 5V恒压模块的选择
方案一：选择电源模块的5V电压，作为待测电阻的供电电压，这样做可使电路结构变得很简单。但纯在的问题是，电源模块的5V电压加在待测电阻模块上，当待测电阻很小时，使电压被拉低，导致其他需要5V电压的模块不能正常工作。
方案二：选择OPA548运放芯片来单独为待测电阻模块供电。需要用到STM32F103ZET6内部集成一个12DAC，来控制OPA548的输入从而控制它输出，在通过单片机芯片内部的一个12位ADC将运放输出采回来跟DAC的输出进行对比，从而形成一个闭环系统，输出5V恒定的电压。这样做的优点，可使系统运行非常稳定，且测试电阻也非常精准。
比较以上两种方案：方案二能到达设计要求,所以本设计采用方案二。

2.3 显示模块的选择
方案一：使用带有中文字符的12864液晶显示。12864液晶结构简单，易于控制，但分辨率太低，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。
方案二：使用3.2寸TFT-LCD。3.2寸TFT-LCD，是具有26万色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。
比较以上两种方案：12864液晶显示器分辨率太低，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，而3.2寸TFT-LCD能够完全满足，故选择方案二。

3 系统设计
3.1系统总框图
电源模块

J

STM32F103ZET6
DA
AD
AD
恒压芯片
恒压采样
电压跟随
固定电阻网络
档位切换
待测电阻
电压跟随
采样
显示
步进
电机

图3-1 系统框图

3.2 系统设计思路
本系统框图如（图3-1）所示由①电源模块，②STM32F103ZET6小系统模块，③恒压芯片、恒压采样、电压跟随构成的5V恒压源模块，④固定电阻网络、档位切换、待测电阻、采样、电压跟随构成的继电器自动换档测电阻模块，⑤步进电机模块，⑥TFT真彩触屏显示模块组成。
该设计分为2个闭环系统：
⑴通过单片机控制一个内部集成的12位DAC给运放芯片OPA548的输入电压从而控制运放的输出电压，然后采样输出的电压，用电压跟随器将采样电压给单片机内部的一个12位ADC，将DAC输出的电压和ADC采回的电压对比，通过程序自动补偿，让OPA548的输出为恒压5V。
⑵将恒压5V送给电阻网络（共4路电阻网络起到限流和限压的作用）,再经过档位切换（由四个继电器构成，起自动换挡的作用）,再经过待测电阻到地。然后将待测的电阻两端的电压采样到电压跟随器送到单片机内部的一个12位ADC，最后通过程序计算出电阻值。
为了使测量更加精准程序上采取了这样的方法：将第一路ADC的值乘以2推出当前5V恒压值，把这个当前恒压值作为第二个闭环系统的总电压值，再利用同一支路电流相等的特性来计算待测电阻的阻值。公式为：

其中R3精密电阻值，r是待测电阻值。是这个方法去掉了直接用5V来作为第二个闭环系统的总电压的误差，使得测量精度大大提高。
本设计的步进电机模块作为一个附加模块，它实现的功能是：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，将电位器不同阻值产生的不同电压送给单片机内部一个12位ADC，单片机处理后在屏幕上显示出阻值变化的曲线。

4 硬件电路设计
4.1电源模块的设计
+12V和+5V采用LM2576系列3A开关型稳压器，这种稳压器是单片机集成电路，能提供降压开关型稳压器的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。这系列稳压器内都含有频率器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减少到最小，使用方面。它在指定输入电压和输出负载条件下保证输出电压的正负4%的误差。它的效率比流线型的三端线性稳压要高得多，是理想的代替。
-12V采用三端固定式集成稳压模块LM7912，它内部由采样、基准、放大、调整和保护等电路组成。保护电路具有过流、过热、及短路保护功能。能在使用要求不是很高的场合使用，图4-1为设计电路。

图4-1 电源模块电路

4.2 OPA548构成的5V恒压模块设计
恒压源模块电路如（图4-2）所示，使用高电压，高电流运算放大器OPA548连接低噪声精密运算器TLC2202，通过单片机内部的一个ADC输出值。调节OPA548输出，构成5V恒压闭环系统。

图4-2 恒压电路

4.3 继电器构成的自动换挡测电阻模块
自动换挡模拟电路如（图4-3）所示，采用4路用继电器，作为自动开关，实现档位转换。该电路主要是根据电阻分压的原理来实现，然后待测电阻上接一个电压跟随器（跟随器起阻抗匹配的作用）把电压送给单片机内部的一个ADC，单片机内部再相应的运算处理，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。
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。
档时，假定被测电阻值为，则。计算可得R=，即档固定电阻值为。
1kΩ档时，假定被测电阻值为KΩ，则。计算可得R=，即KΩ档固定电阻值为。
KΩ档时，假定被测电阻值为KΩ，则。计算可得R=KΩ，即KΩ档固定电阻值为KΩ。
MΩ档时，假定被测电阻值为MΩ，则。计算可得R=MΩ，即MΩ档固定电阻值为MΩ。

图4-3 继电器构成的自动换挡测电阻模拟电路

4.4 电机驱动模块
电机驱动模块电路如（图4-4）所示，本设计自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线使用步进电机转动带动电位器旋转从而改变电位器电阻，为了能更好的达到设计要求，我们采用L298N作为步进电机驱动。

图4-4 步进电机驱动电路

4.5 TFT触屏显示模块
采用3.2寸TFT触摸屏显示，该显示屏为320*240分辨率，16位真彩显示，显示速度快，可显示字符，文字，图片，本产品操作界面简洁准确，显示效果良好。显示模块与主控芯片接口电路如（图4-5）所示。

图4-5 TFT液晶接口电路

5 软件设计
软件设计思路说明：软件部分共分为5个部分。其一，手动换挡。其二，自动换挡。其三，电阻筛选。其四，描绘曲线。其五，屏幕显示。前四个部分的信息最后送到第五部分显示。软件逻辑框图如（图5-1）所示。
开始

初始化配置

描绘曲线

自动换挡
手动换挡
电阻筛选

屏幕显示

5-1 软件逻辑

6 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
（为被测电阻，为实测电阻值，万用表测得的阻值）
计算出误差，并观察档位是否自动正常跳转。
6.1 100档位的测试
待测电阻值
（Ω）
万用表
测试（Ω）
实测
（Ω）
误差
是否正确
跳转档位
29
29.10
29.0
0.04%
是
47
46.90
47.0
0.03%
是
83
82.88
83.1
0.02%
是
100
100.0
99.9
0.10%
是
76
76.30
76.2
0.01%
是
Ω档测试时，在电阻箱上给出任意的5个阻值，首先是万用表来测，然后由本产品测试。经公式计算，误差均在题目规定范围内，同时也实现了自动换档的功能。
6.2 1KΩ档位的测试
待测电阻值
（kΩ）
万用表
测试（kΩ）
实测
（kΩ）
误差
是否正确
跳转档位
780
779.8
780
0.05%
是
395
394.9
395
0.03%
是
243
242.0
242
0.02%
是
190
189.0
189
0.01%
是
892
893.1
892
0.06%
是
KΩ档测试时，在电阻箱上给出任意的5个阻值，首先是万用表来测，然后由本产品测试。经公式计算，误差均在题目规定范围内，同时也实现了自动换档的功能。
6.3 10KΩ档位的测试
待测电阻值
(Ω)
万用表
测试(Ω)
实测
(Ω)
误差
是否正确
跳转档位
5.6K
5.610K
5.60K
0.07%
是
4.3K
4.290K
4.28K
0.10%
是
9.8K
9.797K
9.80K
0.11%
是
6.2K
6.190K
6.20K
0.09%
是
1K
999.0
999
0.08%
是
KΩ档测试时，在电阻箱上给出任意的5个阻值，首先是万用表来测，然后由本产品测试。经公式计算，误差均在题目规定范围内，同时也实现了自动换档的功能。
6.4 10MΩ档位的测试
待测电阻值
(Ω)
万用表
测试(Ω)
实测
(Ω)
误差
是否正确
跳转档位
12M
11.99M
12.0M
0.09%
是
6M
5.980M
5.99M
0.07%
是
7.39M
7.400M
7.39M
0.03%
是
8.2M
8.198M
8.20M
0.04%
是
2M
1.990M
2.01M
0.05%
是
MΩ档测试时，在电阻箱上给出任意的5个阻值，首先是万用表来测，然后由本产品测试。经公式计算，误差均在题目规定范围内，同时也实现了自动换档的功能。
通过观察以上的测试数据，可以看出来在每个档位的测试时，误差均在以下，达到了题目的要求，并且根据不同阻值的电阻自动切换档位。

7 设计总结
本设计实现了电阻的自动测量，自动筛选，自动描点，它比传统的手动测量方式有着显著的优越性，不仅可以实现电阻的自动测量和自动筛选，而且测量精准度很高。此外，本系统设计仅采用一块STM32F103ZET6单片机作为主控芯片，加以少量的硬件电路，电路设计简单，并使用C语言编写程序，系统的可靠性很高。通过大量的测试证明，本系统达到了预期的效果。

参考文献
[1] 刘军.例说STM32.北京：北京航空航天大学出版社，2011.
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[5]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
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[7]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能培训练教程[M].北京：电子工业出版社，2005.
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[9]马忠梅．单片机的C语言应用程序．北京：北京航空航天出版社，2007.
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[11] 王松武、于鑫.电子创新设计与实践[M]. 北京：国防工业出版社,20
[12] 焦素敏.数字电子技术基础[M]. 北京：人民邮电出版社,2005.

致 谢
经过两个多月的时间，我在导师廖建文的指导下，完成了整个系统的设计和制作。在这段时间当中，感受最深的就是解决问题的一些方法、技巧。在整个设计过程中，我遇到了很多的问题，通过查阅相关资料、冷静理性的分析、方案的对比和实验证明，最终解决了所遇到的问题。
这一次的毕业设计，不但增强了我的实践能力和论文的写作能力，更让我懂得了理论和实践相结合的重要性。当然，本系统设计中还存在着一些不足之处，有待修正提高，恳请各位评委老师批评指正。
感谢学校给我这一次锻炼的机会，感谢我的老师和同学们在整个过程中给予我的帮助，才使得我的毕业设计顺利结束。

16

附录
附录1主要元件清单
元件名称
型号
数量
单片机小系统
STM32F103ZET6
1
恒压源芯片
OPA548
1
精密电阻
6.49MΩ
1
精密电阻
6.8KΩ
1
精密电阻
680Ω
1
精密电阻
68Ω
1
继电器
C223760
4
步进电机
30BYJ26
1
电位器
旋转式单圈电位器
1
显示器
3.2寸TFT-LCD
1

附录2 STM32F103ZET6小系统板原理图

附录3 单片机小系统板转接板PCB图

附录4 恒压源PCB图

附录5 产品实物图片