机械课程设计表面粗糙度测量仪设计

1、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

2、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 fil

3、m 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 fina

4、lly 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 re

5、sistance 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12 系统方案论证与选择22.1 主控芯片的选择22.2 5V恒压模块的选择22.3 显示模块的选择33 系统设计43.1系统总框图43.2 系统设计思路44 硬件电路设计64.1电源模块的设计64.2 OPA548构成的5V恒压模块设计64.3

6、 继电器构成的自动换挡测电阻模块74.4 电机驱动模块84.5 TFT触屏显示模块95 软件设计106 系统测试116.1 100档位的测试116.2 1K档位的测试116.3 10K档位的测试126.4 10M档位的测试127 设计总结13参考文献14致 谢15附录151 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。

7、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

8、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

9、。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

10、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

11、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 STM32F103ZET6DAADAD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）所示由电源模块，STM32F103ZET6小系统模块，恒压芯片、恒压采样、电压跟随构成的5V恒压源模块，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，步进电机模块，TFT真彩触屏显示模块组成。该设计分为2个闭环系统：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

12、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。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

13、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

14、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

15、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。1k档时，假定被测电阻值为K，

16、则。计算可得R=，即K档固定电阻值为。K档时，假定被测电阻值为K，则。计算可得R=K，即K档固定电阻值为K。M档时，假定被测电阻值为M，则。计算可得R=M，即M档固定电阻值为M。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

17、，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。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 10

18、0档位的测试待测电阻值（）万用表测试（）实测（）误差是否正确跳转档位2929.1029.00.04%是4746.9047.00.03%是8382.8883.10.02%是100100.099.90.10%是7676.3076.20.01%是档测试时，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 1K档位的测试待测电阻值（k）万用表测试（k）实测（k）误差是否正确跳转档位780779.87800.05%是395394.93950.03%是243242.02420.02%是190189.01890.01%是

19、892893.18920.06%是K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 10K档位的测试待测电阻值()万用表测试()实测()误差是否正确跳转档位5.6K5.610K5.60K0.07%是4.3K4.290K4.28K0.10%是9.8K9.797K9.80K0.11%是6.2K6.190K6.20K0.09%是1K999.09990.08%是K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

20、.4 10M档位的测试待测电阻值()万用表测试()实测()误差是否正确跳转档位12M11.99M12.0M0.09%是6M5.980M5.99M0.07%是7.39M7.400M7.39M0.03%是8.2M8.198M8.20M0.04%是2M1.990M2.01M0.05%是M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

21、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，2011.2 全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编. 北京：北京理工大学出版社，2010.3黄智伟.全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.4喻斌. STM32F系列ARM Cortex - M3核微控器件