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高精度數(shù)控電阻箱 摘要:本次設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電阻箱主要由恒定電流源部分、顯示部分、鍵盤(pán)部分、電源部分組成。以STM32單片機(jī)為核心控制恒流源，恒流源電路由達(dá)林頓三極管、高精度運(yùn)算放大器、采樣電阻等組成。通過(guò)鍵盤(pán)輸入給定值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，控制電流。采用電流反饋電路控制精度，經(jīng)多次調(diào)試改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了直流電阻箱的功能。本次設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電阻箱較以往的電阻箱相比，其優(yōu)點(diǎn)在于可操作性強(qiáng)、精度高、體積小、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。適用于作為直流負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合。 關(guān)鍵詞：數(shù)控直流電阻箱；恒流源；STM32 電阻箱是一種可以調(diào)節(jié)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(shù)調(diào)整的有效工具，又可以作為系統(tǒng)的一種測(cè)量?jī)x器，在教學(xué)科研和生產(chǎn)實(shí)踐中是一種使用廣泛的電子設(shè)備。傳統(tǒng)直流電阻箱上有不同的檔位每個(gè)檔位內(nèi)部都串聯(lián)了多個(gè)等值的電阻絲，電阻箱當(dāng)前輸出的電阻就是所有檔位中被選中電阻的串聯(lián)總值，不同檔位之間所有的電阻的串聯(lián)是通過(guò)旋鈕觸點(diǎn)連接的，這些觸點(diǎn)在連接的時(shí)候，可能會(huì)由于觸點(diǎn)氧化或者接觸松動(dòng)，導(dǎo)致觸點(diǎn)間存在比較大的接觸電阻，各個(gè)觸電的接觸電阻可能也存在很多差異，也就引起了過(guò)大的殘留電阻。由于傳統(tǒng)電阻所留下的弊端，本次設(shè)計(jì)一種高精度數(shù)控電阻箱，解決傳統(tǒng)電阻箱在使用中所存在的上述問(wèn)題。 本系統(tǒng)主要由恒定電流源部分、顯示部分、鍵盤(pán)部分、電源部分組成，下面分別論證這幾個(gè)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(jī)，它在51的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了大量的寄存器和引腳功能且?guī)缀趺總�(gè)引腳都有第二功能。但功耗大，不可位操作，編程相對(duì)比較麻煩。 方案二：選用傳統(tǒng)的STC89C51系列產(chǎn)品做主控制芯片。51單片機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)。它具有價(jià)格便宜，性價(jià)比高、功能較多的特點(diǎn)，但是它指令復(fù)雜，指令執(zhí)行周期時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)算速度慢，其片內(nèi)資源少，存儲(chǔ)容量小，難以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)大體積的程序和實(shí)現(xiàn)快速精確的反應(yīng)控制。 方案三：選用STM32做主控芯片。STM32系列單片機(jī)具有超低功耗，有著強(qiáng)大的處理能力，高性能模擬技術(shù)及豐富的偏上外圍模塊，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境，STM32系列單片機(jī)不僅可以應(yīng)用于許多傳統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，更適合需要較高運(yùn)算性能的智能儀器設(shè)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(kāi)關(guān)電源的恒流源電路如圖1-1所示。 采用開(kāi)關(guān)電源的恒流源電路如圖1-1所示。當(dāng)電源電壓降低或負(fù)載電阻Rl降低時(shí)，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B(niǎo)G1導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，使電壓U0回升到原來(lái)的穩(wěn)定值。BG1關(guān)斷后，儲(chǔ)能元件L1、E2、E3、E4保證負(fù)載上的電壓不變。當(dāng)輸入電源電壓增大或負(fù)載電阻值增大引起U0增大時(shí)，原理與前類似，電路通過(guò)反饋系統(tǒng)使U0下降到原來(lái)的穩(wěn)定值，從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電流Il的目的。 方案二：采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)恒流源系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖1-2所示。 MC7805K為三端固定式集成穩(wěn)壓器，調(diào)節(jié)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(tài)電流，小于10m A。當(dāng)RW較小即輸出電流較大時(shí)，I4可以忽略，當(dāng)負(fù)載電阻RL變化時(shí)，MC7805改變自身壓差來(lái)維持通過(guò)負(fù)載的電流不變。因此這種電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)控。 方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(jié)合單片機(jī)構(gòu)成數(shù)控電流源。通過(guò)鍵盤(pán)預(yù)置電流值，單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)給D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)送到運(yùn)算放大器，控制主電路電流大小。實(shí)際輸出的電流再通過(guò)采樣電阻采樣變成電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換后將信號(hào)反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，形成反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)具有良好的穩(wěn)定性，而且精度較高，本方案可實(shí)現(xiàn)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(shù)碼管顯示 數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)，這些段分別由a,b,c,d,e,f,g,dp來(lái)表示。數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)。但根據(jù)題目要求，如果需要同時(shí)顯示給定值和測(cè)量值，需顯示的內(nèi)容較多，要使用多個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，使電路變得復(fù)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?jǐn)?shù)字，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。段位式LCD 和字符式LCD 只能用于字符和數(shù)字的簡(jiǎn)單顯示，不能滿足圖形曲線和漢字顯示的要求；而點(diǎn)陣式LCD 不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)，動(dòng)畫(huà)功能，分區(qū)開(kāi)窗口，反轉(zhuǎn)，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(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而可以做到高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，其效果接近CRT顯示器，是現(xiàn)在筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)上的主流顯示設(shè)備。TFT的每個(gè)像素點(diǎn)都是由集成在自身上的TFT來(lái)控制，是有源像素點(diǎn)。因此，不但速度可以極大提高，而且對(duì)比度和亮度也大大提高了，同時(shí)分辨率也達(dá)到了很高水平。 綜合考慮采用方案三。 2.4 鍵盤(pán)模塊的論證與選擇 方案一：采用矩陣鍵盤(pán) 此類鍵盤(pán)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(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線則只能多出一鍵 （9鍵）。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)。 方案二：采用獨(dú)立鍵盤(pán) 獨(dú)立鍵盤(pán)是一個(gè)按鍵占用單獨(dú)的一個(gè)I/O口，每個(gè)I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤(pán)采用端口直接掃描方式。當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目較多。但是操作更加方便，電路也比較簡(jiǎn)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(tǒng)對(duì)電阻的精度要求較高，而系統(tǒng)電源的精度及穩(wěn)定度在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因此系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部分。采用7805和7905穩(wěn)壓芯片，為整個(gè)系統(tǒng)提供±5V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作，而且比起其他的電池電源更加適合該系統(tǒng)。 三、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 3.1 可控電阻箱實(shí)現(xiàn)的分析 可控電阻箱的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)題目要求使得設(shè)定的電阻值和等效的電阻值相等，首先應(yīng)采集端口電壓，根據(jù)設(shè)定的電阻值，此時(shí)可以算出電路的電流大小，通過(guò)一定的方法將電路的電流調(diào)到我們所設(shè)定的電阻值。 3.2 電阻的計(jì)算 假設(shè)端口電壓Ui=3.3V，設(shè)定的最小R=100。此時(shí)電路中的電流應(yīng)為I=Ui/R=3300m V/100；電路中的 電流應(yīng)為I=33mA。此時(shí)我們應(yīng)設(shè)定電路的電流為33mA。 四、電路與程序設(shè)計(jì) 4.1 電路的設(shè)計(jì) 4.1.1 系統(tǒng)總體框圖 本次設(shè)計(jì)通過(guò)采用STM32單片機(jī)、高精度AD、高精度DA實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字可控的直流電流源，通過(guò)測(cè)量輸入電壓值和設(shè)定的電壓值，計(jì)算出系統(tǒng)應(yīng)該產(chǎn)生的電流值，準(zhǔn)確地輸出這個(gè)計(jì)算的電流，對(duì)外電路來(lái)說(shuō)，本身具有輸出電壓，又有輸出電流，根據(jù)歐姆定律，這個(gè)恒流源就模擬出來(lái)了的一個(gè)等效的電阻，以這個(gè)思路實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)可以避免傳統(tǒng)電阻箱的上述問(wèn)題。
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4.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 我們采用了STM32F407VET6芯片,單片機(jī)是Cortex-M4架構(gòu)。100個(gè)外部引腳，該單片機(jī)處理器最高運(yùn)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(jì)數(shù)頻率 I/O最高頻率為60MHz ISP及IAP編程
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4.1.3 液晶顯示電路原理圖 TFT320是一個(gè)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(gè)LCD的模塊，因?yàn)樗|摸功能，所以這是一個(gè)強(qiáng)大的顯示擴(kuò)展模塊。這個(gè)TFT的控制IC是SSD1289，它是16位數(shù)據(jù)接口的，相對(duì)比較容易驅(qū)動(dòng)它，我們可以使用STM32單片機(jī)對(duì)它進(jìn)行控制，HY-TFT320里面也包含了一個(gè)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。
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4.1.4 獨(dú)立鍵盤(pán)電路原理圖 獨(dú)立鍵盤(pán)是一個(gè)按鍵占用單獨(dú)的一個(gè)I/O口，每個(gè)I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤(pán)采用端口直接掃描方式。當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目較多。但是操作更加方便，電路也比較簡(jiǎn)單。
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4.1.5 電源 采用7805和7905穩(wěn)壓芯片，為整個(gè)系統(tǒng)提供±5V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作，而且，線性穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定性好，能夠給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，比起其他的電池電源及開(kāi)關(guān)電源都更加適合該系統(tǒng)。
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4.2 程序的設(shè)計(jì) 4.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 1、程序功能描述 （1） 鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)定的電阻值和確定輸入電阻值，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)檔位之間的相互轉(zhuǎn)換。 （2） 顯示部分：顯示設(shè)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(shè)計(jì)思路 用STM32單片機(jī)控制鍵盤(pán)輸入，設(shè)定的電阻值，通過(guò)自帶的12位A/D采集端子電壓，通過(guò)算法計(jì)算出實(shí)現(xiàn)當(dāng)前阻值，需要的信號(hào)，并通過(guò)D/A輸出需要信號(hào)，進(jìn)入可控恒流源電路，采用OP27放大器構(gòu)成一個(gè)可控恒流源，使負(fù)載形成等效電阻。最終達(dá)到題目中的要求。 4.2.2程序流程圖 1、主程序流程圖
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2、阻值設(shè)定子程序流程圖
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2、顯示子程序流程圖
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五、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 5.1 測(cè)試方案 5.1.1 硬件測(cè)試 通過(guò)萬(wàn)用表，對(duì)電路進(jìn)行分析，實(shí)際值與測(cè)量值比較，還需要用到示波器對(duì)電路中的波形進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而完成對(duì)硬件的測(cè)試。 5.1.2 軟件仿真測(cè)試 在沒(méi)有焊接電路的時(shí)候，需要對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電路，在Multism軟件中進(jìn)行調(diào)試，在與預(yù)想現(xiàn)象符合是，進(jìn)行硬件的焊接。 5.1.3 硬件軟件聯(lián)調(diào) 用寫(xiě)好的程序?qū)σ汛罱油瓿傻碾娐愤M(jìn)行測(cè)試，觀察現(xiàn)象，并計(jì)算阻值，反復(fù)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，最后達(dá)到預(yù)想的效果 5.2 測(cè)試條件與儀器 測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。端口電壓在5V和10V的條件下進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫安表，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，精密可編程電流源。 5.3 測(cè)試結(jié)果及分析 5.3.1 測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)） （1）5V檔測(cè)試結(jié)果如下表所示： （2）10V檔測(cè)試結(jié)果如下表所示： 5.3.2 測(cè)試分析與結(jié)論 根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)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(shí)）。達(dá)到基礎(chǔ)部分要求。 2、實(shí)現(xiàn)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(shí)）。 綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求 六、結(jié)論 本文討論分析了利用單片機(jī)的控制及電路的組合實(shí)現(xiàn)直流電阻箱的功能，且能在液晶上顯示其數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)A/D、D/A的轉(zhuǎn)換，運(yùn)用低噪聲精密放大器OP27實(shí)現(xiàn)了高精度(1%)，寬范圍(10Ω～1MΩ)，大功率(2W)的電阻，數(shù)控直流電阻箱在實(shí)際應(yīng)用中泛，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有很重要的意義。
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