2011全国电子设计大赛论文-G题(此作品获全国二等奖)

赛区：江西赛区赛区编号：JXB13003测试人签字：1简易电阻测量仪（G题）摘要：随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的的适应范围越来越广泛，而且智能化逐渐替代旧版产品，在应用中我们常常要测量电阻的大小，因此设计更加可靠，安全，快捷的电阻测量仪，具有极大的现实必要性。本系统由STC89c55单片机作为数据处理和控制核心，通过单片机，经过待测电阻Rx后，由仪表放大器OP07采样并放大Rx两端电压，再经TLC2543转换送回单片机，进行欧姆定律处理计算，并在12864液晶上显示。该测量仪可直接从LCD液晶上读出所测得的电阻值，测量范围为1Ω～10MΩ测量精度高达±1%，通过单片机的计算测量结果，并通过12864LCD液晶屏显示数据。从而实现电阻的测量和显示。通过实际检测，不仅测量简便，读数直观，且测量精度、分辨率也高于一般电桥。关键词：STC89c55单片机TLC2543AD转换LCD液晶屏运放OP071方案选择与论证１.1电阻测试方案比较电阻测试仪的比较可有多种方案完成，例如利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电桥检测法.方案一：可编程逻辑控制器(PLC)应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高，且对其应用较生疏。方案二：采用RC振荡回路，通过测量频率来计算相应的阻值，测量范围较宽，但振荡回路受外界干扰较大，测量精度较低，测量误差不易控制。方案三：采用恒压源分压法，通过测量电压值，采用电压比例计算R值，该方案电路稳定，受外界影响小，测量精度高，且范围较宽，另一方面便于使仪表实现自动化，而且设计时间短，成本低，可靠性高。综上所述，系统将采用方案三，采用恒压源分压法，更为简便可行，节约成本。1.2AD转换方案方案一：采用ADC0832ADC0832是串行接口的8位A/D转换器，双通道A/D转换，输出输入电平与TTL/CMOS相兼容，最高转换时间为32US，体积小，使用简单，价格便宜，但分辨率较低，难以满足测量需求。方案二：采用12位AD芯片TLC2543，TLC2543为12为串行模数转化芯片，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转化过程，最高分辨率达4096，在输入电压为0---5V时，电压精度可达到1.2mv。由于采用串行结构，能够节省51单片机的IO口资源，价格适中，外围电路简单等，稳定可靠。在仪表仪器中有广泛的应用。经比较系统选用方案二，使用高精度的TLC2543，能够在电路中很好的完成本次系统要求。1.5量程切换方案1可采用硬件编码或选码开关选择，但此法硬件电路较复杂，造价偏高且使用不便。2才用软件编程计算自动选择档位量程，造价很低电路简单，自动转换操作简单等。所以选择方案2。1.6单片机方案在整个电路中，电阻计算和显示，量程的自动换等复杂任务的处理都要依靠单片机来完成，所以采用一款我们熟炼，可靠，高性能的单片机，是保证我们完成整个任务的基石，在众多优秀芯片中ATMEL公司的AT89Sxx系列和STC89Cxx系列较好，他们都采用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用，且价格相比同类产品非常便宜，具有很高的性价比功能强大、应用成熟，但ATMEL储存ROM较小需要外扩，STC89c55R+满足要求且速度比ATMEL要快可以更好的完成任务。所以在系统我们采用我们常用的高性能CMOS8位微控制器STC89c55R+。1.7数据显示方案方案一：采用字符型LCD1602液晶显示器。微功耗、尺寸小，超薄轻巧，价格便宜，但显示信息量较少，仅限于字符，不能显示图形，难以满足设计需求，方案二：采用无字库LCD12864，12864是128*64点阵液晶模块，控制器为KS0108或兼容ST7920T6963C。12864显示信息量大、字迹清晰、稳定，美观、视觉舒适低功耗，能够显示图形。系统选择方案二，可以用中文LCD2864液晶进行丰富的菜单显示，使整个控制系统更加人性化。2论分析与计算2.1电阻测量原理分压即电阻串联分压，在电路中被测电阻Rx将和一个高精度的已知基准电阻R2串联，在两个电阻的两端加一个已知的恒定电压V，设Rx两端的电压为V1，R2两端的电阻为V2，根据欧姆定律，R1/(Rx+R2)*V=Vx化简可得R1=(Vx*R2)/(V-Vx)由于Vx，R2，已知，Vx由电路自动测量得到，经过单片机计算可得出被测电阻的阻值。2.2自动量程转换与筛选功能输入想要的电阻值和电阻的误差值，通过单片机的采样和欧姆定律的计算可以选出想要的电阻值，并且通过的测试品会有声光提示和OK显示，不符合的会读出当前阻值并显示NO。2.3电位器阻值变化曲线装置系统进入曲线测试后先检测电位器现在状态，如不在0Ω时电机让电位器复位到0Ω,然后启动电机匀速转动，同时统用内部中断定时每隔时间t检测采样电位器当前电压坐标轴上划出点然后坐标点连接形成曲线显示给用户。3功能模块介绍3.1系统总体方框图整个系统可由四部分组成，比例分压电路，AD转换电路，量程切换，单片机最小系统，键盘电路，电机驱动，显示电路组成。系统总体方框图如图1所示。图1系统总体方框图3.2电源模块图2电源因单片机最大只可用5.5V供电，OP07运放则需要正负双电源供电保证它的稳定工作和精确度故采用此稳压正负电源加上单片机使用的5V正稳压综合电路。电路图如图2所示。3.3比例分压电路设计图3比例分压电路与识别在电路中，7805构成恒压源，R1,R4为两个高精度基准电阻，RX为被测电阻，双刀双置开关SW2实现100，1K，10K三个自动量程挡位到10M档位的切换。电路图如图3所示。AD转换电路设计TLC2543为12位的A/D转化芯片，有14个模拟输入通道，分辨率达4096。程序设计采用模拟通道AIN0端，并用OP07做输入缓冲，提高电路稳定性。以SPI总线的接口方式与单片机进行连接，实现测量数据的实时传送。电路图如图4所示。图4TLC2543连接电路3.4单片机最小系统及显示电路设计图5单片机最小系统及显示电路3.5键盘电路设计图64*4矩阵键盘电路图7H桥电机正反转驱动电路矩阵键盘较编码键盘和独立按键键电路简单陈本较低控制较易和节省系统I/0口。电路图如图6所示。3.6电机驱动H桥设计此电路假设给P1.4给“1”信号，P1.6给“0”则电流从左上方三极管进入经过电机从右下角到地，电机正转，反之电机就反转。从而实现电机的正反转。电路图如图7所示。4系统软件设计系统软件基于KEILC51开发系统开发，基本流程图如下图8程序主流程图5测试方法及测试结果5.1操作说明首先检查AC220V电压是否标准，然后接通电源，3S后系统会自动进入使用界面（默认电阻测量），实物面板简介见附录1。操作步骤如下：1.电阻大小测量：开机默认进入（或功能键进入）界面，拨到对应测量范围档上接入电阻便可度数2.电阻筛选：功能键选择进入功能输入预设阻值→加入待测电阻3.电位器特性曲线自动测试：功能键选择进入功能手动给电位器清零（电位器原点）后系统自动开始测试，绘完曲线等待下次测试5.2测试方案及测试条件5.2.1电阻测量测试测试方法：在各自量程范围内，每一个量程测5种不同阻值的电阻，采用4位半高精度VC9807A+万用表和普通三位半VC830L数字万用表做参考对照。测量数据表格如表1~4所示。表1量程：100Ω（室温下）标识阻值5.1Ω10Ω51Ω68Ω86ΩVC830L测量值5.1Ω10Ω51Ω68Ω86Ω电阻测量仪值5Ω10Ω51Ω68Ω86Ω表2量程：1KΩ（室温下）标识阻值150Ω360Ω470Ω560Ω820ΩVC830L测量值147Ω356Ω465Ω549Ω821Ω电阻测量仪值149Ω354Ω467Ω554Ω879Ω表3量程：10KΩ（室温下）标识阻值1kΩ2kΩ56kΩ4.7kΩ10kΩVC830L测量值998Ω1.98kΩ56.8kΩ4.5kΩ9.8kΩ电阻测量仪值997Ω1.98kΩ57kΩ4.64kΩ9.98kΩ表4量程：10MΩ（室温下）标识阻值15kΩ100kΩ150kΩ1MΩ8MΩVC830L测量值15.3Ω100.7kΩ147kΩ1.01MΩ7.82MΩ电阻测量仪值15kΩ101kΩ149kΩ1.01MΩ7.96MΩ由上表可知，在不需要人为干预下，系统可自动进行100Ω、1KΩ、10KΩ三量程的自动切换，稳定可靠，在兆欧挡时与高精度数字万用表相差也很小5.2.2自动量程切换测试测试方法：任选多个阻值在自动量程范围内的不同电阻，接入测量仪测试其自动量程切换功能。5.2.3筛选功能测试测试方法：在测量仪中设定需要筛选的电阻值，和误差范围，并任选多个阻值在所有量程范围内的不同电阻，接入测量仪测试其筛选功能。测试数据见表5所示表5电阻筛选功能测试数据VC9807测量值4.754.814.684.664.73阻值误差0.8%2.3%0.4%0.8%0.6%筛选接果符合(OK)不符合（NO）符合（OK）符合（OK）符合(OK)5.2.4电位器阻值变化曲线装置测试测试方法：任选一个阻值在量程范围内的电阻，首先用标准万用表采取手动方式测量各点阻值并画出其阻值变化曲线图，作为参照，然后将电位器接入测量仪中，观察其变化曲线情况并和前者做比较。测试图形拍摄效果如图9所示。图9电位器阻值变化曲线5.3测试结果通过实际使用测试，和对测量数据的分析，整个系统系统完成了以下指标:1.系统电阻测量量程可100Ω、1KΩ、10KΩ、10M四档可调，测量准确度可达±（1%读数+2字），达到基本要求。2.系统可三位有效数字显示阻值，能自动显示小数点和单位，达到基本要求。3.系统具有100Ω、1KΩ、10KΩ三量程自动切换功能，达到作品基本要求。4.系统具有自动筛选功能，可任意设定要筛选的电阻值和误差值，实现电阻自动筛选功能，实现发挥部分第一点要求。5.系统能够自动测量并显示电位器阻值曲线变化图，实现发挥部分第二点要求。所有的测试过程严格按照要求来进行，所有测试数据和测试结果准确真实有效。6结论仪器类的作品往往各方面都具有严格的要求，尤其是精确度这方面，所以高精度是我们在设计整个电路时的基本原则，所以在作品在最终测试时，确实在这一块发挥很好，达到我们预计结果。我们在完成题目基本要求的同时，还对功能做了扩展，做了良好的人机交互界面，使其更具实用性。能够完成整个作品的制作与我们丰富的理论知识与优秀的动手能力和有好的合作是分不开的，我想我们已经准备好迎接更多更大挑战。参考文献：《信号与系统》，沈元隆周井全编，北京：人民邮电出版社，2007年；《C程序设计》，谭浩强著，北京：清华大学，2005年；《电子技术