|
高精度數控電阻箱 摘要:本次設計的數控直流電阻箱主要由恒定電流源部分、顯示部分、鍵盤部分、電源部分組成。以STM32單片機為核心控制恒流源，恒流源電路由達林頓三極管、高精度運算放大器、采樣電阻等組成。通過鍵盤輸入給定值，經D/A轉換器將數字信號轉換為模擬信號，控制電流。采用電流反饋電路控制精度，經多次調試改進，實現了直流電阻箱的功能。本次設計的數控直流電阻箱較以往的電阻箱相比，其優點在于可操作性強、精度高、體積小、高效節能等優點。適用于作為直流負載的應用場合。 關鍵詞：數控直流電阻箱；恒流源；STM32 電阻箱是一種可以調節電阻大小并且能夠顯示出電阻阻值的變阻器。即可以作為電路參數調整的有效工具，又可以作為系統的一種測量儀器，在教學科研和生產實踐中是一種使用廣泛的電子設備。傳統直流電阻箱上有不同的檔位每個檔位內部都串聯了多個等值的電阻絲，電阻箱當前輸出的電阻就是所有檔位中被選中電阻的串聯總值，不同檔位之間所有的電阻的串聯是通過旋鈕觸點連接的，這些觸點在連接的時候，可能會由于觸點氧化或者接觸松動，導致觸點間存在比較大的接觸電阻，各個觸電的接觸電阻可能也存在很多差異，也就引起了過大的殘留電阻。由于傳統電阻所留下的弊端，本次設計一種高精度數控電阻箱，解決傳統電阻箱在使用中所存在的上述問題。 本系統主要由恒定電流源部分、顯示部分、鍵盤部分、電源部分組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。 2.1 控制芯片的論證與選擇 方案一：選擇AVR做主控制芯片AVR是工控高速單片機，它在51的基礎上擴充了大量的寄存器和引腳功能且幾乎每個引腳都有第二功能。但功耗大，不可位操作，編程相對比較麻煩。 方案二：選用傳統的STC89C51系列產品做主控制芯片。51單片機是目前應用最廣泛的單片機。它具有價格便宜，性價比高、功能較多的特點，但是它指令復雜，指令執行周期時間長，運算速度慢，其片內資源少，存儲容量小，難以實現存儲大體積的程序和實現快速精確的反應控制。 方案三：選用STM32做主控芯片。STM32系列單片機具有超低功耗，有著強大的處理能力，高性能模擬技術及豐富的偏上外圍模塊，系統工作穩定，方便高效的開發環境，STM32系列單片機不僅可以應用于許多傳統的單片機應用領域，更適合需要較高運算性能的智能儀器設備。 綜合以上三種方案，選擇方案三。 2.2 可控恒定電流源的論證與選擇 方案一：用開關電源的恒流源電路如圖1-1所示。 采用開關電源的恒流源電路如圖1-1所示。當電源電壓降低或負載電阻Rl降低時，采樣電阻RS上的電壓也將減少，則12、13管腳輸出方波的占空比增大，從而BG1導通時間變長，使電壓U0回升到原來的穩定值。BG1關斷后，儲能元件L1、E2、E3、E4保證負載上的電壓不變。當輸入電源電壓增大或負載電阻值增大引起U0增大時，原理與前類似，電路通過反饋系統使U0下降到原來的穩定值，從而達到穩定負載電流Il的目的。 方案二：采用集成穩壓器構成的開關恒流源系統電路構成如圖1-2所示。 MC7805K為三端固定式集成穩壓器，調節RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為：IL=(UOUT/RW) +I4，式中I4為MC7805的靜態電流，小于10m A。當RW較小即輸出電流較大時，I4可以忽略，當負載電阻RL變化時，MC7805改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。因此這種電路無法實現數控。 方案三：單片機控制電流源 該方案恒流源電路由MOSFET、高精度算放大器、采樣電阻等組成，其電路原理圖如圖1-3所示。利用功率MOSFET的恒流特性，再加上電流反饋電路，使得該電路的精度很高，結合單片機構成數控電流源。通過鍵盤預置電流值，單片機輸出相應的數字信號給D/A轉換器，D/A轉換器輸出的模擬信號送到運算放大器，控制主電路電流大小。實際輸出的電流再通過采樣電阻采樣變成電壓信號，A/D轉換后將信號反饋到單片機中。單片機將反饋信號與預置值比較，形成反饋調節，提高輸出電流的精度。當負載在一定范圍內變化時具有良好的穩定性，而且精度較高，本方案可實現題目要求。 綜合以上三種方案，選擇方案三。 2.3 顯示模塊的論證與選擇 方案一：采用LED數碼管顯示 數碼管實際上是由七個發光管組成8字形構成的，加上小數點就是8個，這些段分別由a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。數碼管采用BCD編碼顯示數字，對外界環境要求低，易于維護。但根據題目要求，如果需要同時顯示給定值和測量值，需顯示的內容較多，要使用多個數碼管動態顯示，使電路變得復雜，加大了編程工作量。 方案二：使用LCD顯示 LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字數字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。液晶顯示 （LCD）具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其它顯示器無法比擬的優點。段位式LCD 和字符式LCD 只能用于字符和數字的簡單顯示，不能滿足圖形曲線和漢字顯示的要求；而點陣式LCD 不僅可以顯示字符、數字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現屏幕上下左右滾動，動畫功能，分區開窗口，反轉，閃爍等功能，用途十分廣泛。 方案三：使用TFT液晶屏顯示 TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶體管，意即每個液晶像素點都是由集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅動，從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色顯示設備之一，其效果接近CRT顯示器，是現在筆記本電腦和臺式機上的主流顯示設備。TFT的每個像素點都是由集成在自身上的TFT來控制，是有源像素點。因此，不但速度可以極大提高，而且對比度和亮度也大大提高了，同時分辨率也達到了很高水平。 綜合考慮采用方案三。 2.4 鍵盤模塊的論證與選擇 方案一：采用矩陣鍵盤 此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵 （9鍵）。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤。 方案二：采用獨立鍵盤 獨立鍵盤是一個按鍵占用單獨的一個I/O口，每個I/O口的工作狀態互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。當按鍵較多時占用單片機的I/O口數目較多。但是操作更加方便，電路也比較簡單。 綜合考慮采用方案二。 2.5 電源模塊的論證與選擇 由于系統對電阻的精度要求較高，而系統電源的精度及穩定度在很大程度上決定了系統的性能，因此系統電源的設計是整個系統中的重要部分。采用7805和7905穩壓芯片，為整個系統提供±5V電壓，確保電路的正常穩定工作，而且比起其他的電池電源更加適合該系統。 三、系統理論分析與計算 3.1 可控電阻箱實現的分析 可控電阻箱的實現，根據題目要求使得設定的電阻值和等效的電阻值相等，首先應采集端口電壓，根據設定的電阻值，此時可以算出電路的電流大小，通過一定的方法將電路的電流調到我們所設定的電阻值。 3.2 電阻的計算 假設端口電壓Ui=3.3V，設定的最小R=100。此時電路中的電流應為I=Ui/R=3300m V/100；電路中的 電流應為I=33mA。此時我們應設定電路的電流為33mA。 四、電路與程序設計 4.1 電路的設計 4.1.1 系統總體框圖 本次設計通過采用STM32單片機、高精度AD、高精度DA實現了一個數字可控的直流電流源，通過測量輸入電壓值和設定的電壓值，計算出系統應該產生的電流值，準確地輸出這個計算的電流，對外電路來說，本身具有輸出電壓，又有輸出電流，根據歐姆定律，這個恒流源就模擬出來了的一個等效的電阻，以這個思路實現的設計可以避免傳統電阻箱的上述問題。 4.1.2 單片機最小系統原理圖 我們采用了STM32F407VET6芯片,單片機是Cortex-M4架構。100個外部引腳，該單片機處理器最高運行頻率為168MHz 。 其資源如下： 1 Mbyte Flash 192+4 Kbyte SRAM 支持片外Flash, SRAM, PSRAM USB 2.0 high-speed/full-speed device/host/OTG 10/100 Ethernet MAC 硬件 2 CAN(2.0B Active) 4 UART 3 SPI 最高30 Mbit 傳輸速度 2 IIS 8- to 14-bit攝像頭接口最高48 Mbyte/s 1-bit (default), 4-bit and 8-bit SD/SDIO MMC card 12-bit 0.5μs A/D 12-bit D/A 17 timers 最高120MHz的計數頻率 I/O最高頻率為60MHz ISP及IAP編程 4.1.3 液晶顯示電路原理圖 TFT320是一個3.2英寸屏幕的TFT液晶模塊，320X240（分辨率），65K色，32引腳接口，而不只是一個LCD的模塊，因為它包含觸摸功能，所以這是一個強大的顯示擴展模塊。這個TFT的控制IC是SSD1289，它是16位數據接口的，相對比較容易驅動它，我們可以使用STM32單片機對它進行控制，HY-TFT320里面也包含了一個觸摸控制IC（XPT2046）,而且觸摸接口也是包含在屏幕的40引腳中，，所以此塊TFT模塊功能還算是比較豐富的。 4.1.4 獨立鍵盤電路原理圖 獨立鍵盤是一個按鍵占用單獨的一個I/O口，每個I/O口的工作狀態互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。當按鍵較多時占用單片機的I/O口數目較多。但是操作更加方便，電路也比較簡單。 4.1.5 電源 采用7805和7905穩壓芯片，為整個系統提供±5V電壓，確保電路的正常穩定工作，而且，線性穩壓芯片穩定性好，能夠給系統提供穩定的電源，比起其他的電池電源及開關電源都更加適合該系統。 4.2 程序的設計 4.2.1 程序功能描述與設計思路 1、程序功能描述 （1） 鍵盤實現功能：設定的電阻值和確定輸入電阻值，實現兩個檔位之間的相互轉換。 （2） 顯示部分：顯示設定的電阻值、采集的電壓值和電流值、理論上的端口電壓值、平衡的電流值。 2、程序設計思路 用STM32單片機控制鍵盤輸入，設定的電阻值，通過自帶的12位A/D采集端子電壓，通過算法計算出實現當前阻值，需要的信號，并通過D/A輸出需要信號，進入可控恒流源電路，采用OP27放大器構成一個可控恒流源，使負載形成等效電阻。最終達到題目中的要求。 4.2.2程序流程圖 1、主程序流程圖 2、阻值設定子程序流程圖
2、顯示子程序流程圖 五、測試方案與測試結果 5.1 測試方案 5.1.1 硬件測試 通過萬用表，對電路進行分析，實際值與測量值比較，還需要用到示波器對電路中的波形進行測試，進而完成對硬件的測試。 5.1.2 軟件仿真測試 在沒有焊接電路的時候，需要對已經設計好的電路，在Multism軟件中進行調試，在與預想現象符合是，進行硬件的焊接。 5.1.3 硬件軟件聯調 用寫好的程序對已搭接完成的電路進行測試，觀察現象，并計算阻值，反復對程序進行調試，最后達到預想的效果 5.2 測試條件與儀器 測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。端口電壓在5V和10V的條件下進行測試。 測試儀器：高精度的數字毫安表，數字示波器，數字萬用表，精密可編程電流源。 5.3 測試結果及分析 5.3.1 測試結果（數據） （1）5V檔測試結果如下表所示： （2）10V檔測試結果如下表所示： 5.3.2 測試分析與結論 根據上述測試數據，由此可以得出以下結論： 1、輸出電阻范圍：100Ω～100KΩ，電阻精度：1％；電阻功率不小于1/10 （阻值為1KΩ時）。達到基礎部分要求。 2、實現的電阻范圍：10KΩ～1MΩ；電阻精度：0.1％；電阻功率不小于1 W （阻值為100Ω時）。 綜上所述，本設計達到設計要求 六、結論 本文討論分析了利用單片機的控制及電路的組合實現直流電阻箱的功能，且能在液晶上顯示其數據，該系統模塊化的設計方案，通過對A/D、D/A的轉換，運用低噪聲精密放大器OP27實現了高精度(1%)，寬范圍(10Ω～1MΩ)，大功率(2W)的電阻，數控直流電阻箱在實際應用中泛，對生產實踐有很重要的意義。
完整論文（word格式 可編輯）和源碼等資料下載：
http://www.raoushi.com/bbs/dpj-89742-1.html
| 
