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高精度数控电阻箱 摘要:本次设计的数控直流电阻箱主要由恒定电流源部分、显示部分、键盘部分、电源部分组成。以STM32单片机为核心控制恒流源，恒流源电路由达林顿三极管、高精度运算放大器、采样电阻等组成。通过键盘输入给定值，经D/A转换器将数字信号转换为模拟信号，控制电流。采用电流反馈电路控制精度，经多次调试改进，实现了直流电阻箱的功能。本次设计的数控直流电阻箱较以往的电阻箱相比，其优点在于可操作性强、精度高、体积小、高效节能等优点。适用于作为直流负载的应用场合。 关键词：数控直流电阻箱；恒流源；STM32 电阻箱是一种可以调节电阻大小并且能够显示出电阻阻值的变阻器。即可以作为电路参数调整的有效工具，又可以作为系统的一种测量仪器，在教学科研和生产实践中是一种使用广泛的电子设备。传统直流电阻箱上有不同的档位每个档位内部都串联了多个等值的电阻丝，电阻箱当前输出的电阻就是所有档位中被选中电阻的串联总值，不同档位之间所有的电阻的串联是通过旋钮触点连接的，这些触点在连接的时候，可能会由于触点氧化或者接触松动，导致触点间存在比较大的接触电阻，各个触电的接触电阻可能也存在很多差异，也就引起了过大的残留电阻。由于传统电阻所留下的弊端，本次设计一种高精度数控电阻箱，解决传统电阻箱在使用中所存在的上述问题。 本系统主要由恒定电流源部分、显示部分、键盘部分、电源部分组成，下面分别论证这几个模块的选择。 2.1 控制芯片的论证与选择 方案一：选择AVR做主控制芯片AVR是工控高速单片机，它在51的基础上扩充了大量的寄存器和引脚功能且几乎每个引脚都有第二功能。但功耗大，不可位操作，编程相对比较麻烦。 方案二：选用传统的STC89C51系列产品做主控制芯片。51单片机是目前应用最广泛的单片机。它具有价格便宜，性价比高、功能较多的特点，但是它指令复杂，指令执行周期时间长，运算速度慢，其片内资源少，存储容量小，难以实现存储大体积的程序和实现快速精确的反应控制。 方案三：选用STM32做主控芯片。STM32系列单片机具有超低功耗，有着强大的处理能力，高性能模拟技术及丰富的偏上外围模块，系统工作稳定，方便高效的开发环境，STM32系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域，更适合需要较高运算性能的智能仪器设备。 综合以上三种方案，选择方案三。 2.2 可控恒定电流源的论证与选择 方案一：用开关电源的恒流源电路如图1-1所示。 采用开关电源的恒流源电路如图1-1所示。当电源电压降低或负载电阻Rl降低时，采样电阻RS上的电压也将减少，则12、13管脚输出方波的占空比增大，从而BG1导通时间变长，使电压U0回升到原来的稳定值。BG1关断后，储能元件L1、E2、E3、E4保证负载上的电压不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起U0增大时，原理与前类似，电路通过反馈系统使U0下降到原来的稳定值，从而达到稳定负载电流Il的目的。 方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流源系统电路构成如图1-2所示。 MC7805K为三端固定式集成稳压器，调节RW，可以改变电流的大小，其输出电流为：IL=(UOUT/RW) +I4，式中I4为MC7805的静态电流，小于10m A。当RW较小即输出电流较大时，I4可以忽略，当负载电阻RL变化时，MC7805改变自身压差来维持通过负载的电流不变。因此这种电路无法实现数控。 方案三：单片机控制电流源 该方案恒流源电路由MOSFET、高精度算放大器、采样电阻等组成，其电路原理图如图1-3所示。利用功率MOSFET的恒流特性，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高，结合单片机构成数控电流源。通过键盘预置电流值，单片机输出相应的数字信号给D/A转换器，D/A转换器输出的模拟信号送到运算放大器，控制主电路电流大小。实际输出的电流再通过采样电阻采样变成电压信号，A/D转换后将信号反馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置值比较，形成反馈调节，提高输出电流的精度。当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性，而且精度较高，本方案可实现题目要求。 综合以上三种方案，选择方案三。 2.3 显示模块的论证与选择 方案一：采用LED数码管显示 数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个，这些段分别由a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。 方案二：使用LCD显示 LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。液晶显示 （LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点。段位式LCD 和字符式LCD 只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，分区开窗口，反转，闪烁等功能，用途十分广泛。 方案三：使用TFT液晶屏显示 TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶体管，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高水平。 综合考虑采用方案三。 2.4 键盘模块的论证与选择 方案一：采用矩阵键盘 此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键 （9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘。 方案二：采用独立键盘 独立键盘是一个按键占用单独的一个I/O口，每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。但是操作更加方便，电路也比较简单。 综合考虑采用方案二。 2.5 电源模块的论证与选择 由于系统对电阻的精度要求较高，而系统电源的精度及稳定度在很大程度上决定了系统的性能，因此系统电源的设计是整个系统中的重要部分。采用7805和7905稳压芯片，为整个系统提供±5V电压，确保电路的正常稳定工作，而且比起其他的电池电源更加适合该系统。 三、系统理论分析与计算 3.1 可控电阻箱实现的分析 可控电阻箱的实现，根据题目要求使得设定的电阻值和等效的电阻值相等，首先应采集端口电压，根据设定的电阻值，此时可以算出电路的电流大小，通过一定的方法将电路的电流调到我们所设定的电阻值。 3.2 电阻的计算 假设端口电压Ui=3.3V，设定的最小R=100。此时电路中的电流应为I=Ui/R=3300m V/100；电路中的 电流应为I=33mA。此时我们应设定电路的电流为33mA。 四、电路与程序设计 4.1 电路的设计 4.1.1 系统总体框图 本次设计通过采用STM32单片机、高精度AD、高精度DA实现了一个数字可控的直流电流源，通过测量输入电压值和设定的电压值，计算出系统应该产生的电流值，准确地输出这个计算的电流，对外电路来说，本身具有输出电压，又有输出电流，根据欧姆定律，这个恒流源就模拟出来了的一个等效的电阻，以这个思路实现的设计可以避免传统电阻箱的上述问题。 4.1.2 单片机最小系统原理图 我们采用了STM32F407VET6芯片,单片机是Cortex-M4架构。100个外部引脚，该单片机处理器最高运行频率为168MHz 。 其资源如下： 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 传输速度 2 IIS 8- to 14-bit摄像头接口最高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的计数频率 I/O最高频率为60MHz ISP及IAP编程 4.1.3 液晶显示电路原理图 TFT320是一个3.2英寸屏幕的TFT液晶模块，320X240（分辨率），65K色，32引脚接口，而不只是一个LCD的模块，因为它包含触摸功能，所以这是一个强大的显示扩展模块。这个TFT的控制IC是SSD1289，它是16位数据接口的，相对比较容易驱动它，我们可以使用STM32单片机对它进行控制，HY-TFT320里面也包含了一个触摸控制IC（XPT2046）,而且触摸接口也是包含在屏幕的40引脚中，，所以此块TFT模块功能还算是比较丰富的。 4.1.4 独立键盘电路原理图 独立键盘是一个按键占用单独的一个I/O口，每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。但是操作更加方便，电路也比较简单。 4.1.5 电源 采用7805和7905稳压芯片，为整个系统提供±5V电压，确保电路的正常稳定工作，而且，线性稳压芯片稳定性好，能够给系统提供稳定的电源，比起其他的电池电源及开关电源都更加适合该系统。 4.2 程序的设计 4.2.1 程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 （1） 键盘实现功能：设定的电阻值和确定输入电阻值，实现两个档位之间的相互转换。 （2） 显示部分：显示设定的电阻值、采集的电压值和电流值、理论上的端口电压值、平衡的电流值。 2、程序设计思路 用STM32单片机控制键盘输入，设定的电阻值，通过自带的12位A/D采集端子电压，通过算法计算出实现当前阻值，需要的信号，并通过D/A输出需要信号，进入可控恒流源电路，采用OP27放大器构成一个可控恒流源，使负载形成等效电阻。最终达到题目中的要求。 4.2.2程序流程图 1、主程序流程图 2、阻值设定子程序流程图
2、显示子程序流程图 五、测试方案与测试结果 5.1 测试方案 5.1.1 硬件测试 通过万用表，对电路进行分析，实际值与测量值比较，还需要用到示波器对电路中的波形进行测试，进而完成对硬件的测试。 5.1.2 软件仿真测试 在没有焊接电路的时候，需要对已经设计好的电路，在Multism软件中进行调试，在与预想现象符合是，进行硬件的焊接。 5.1.3 硬件软件联调 用写好的程序对已搭接完成的电路进行测试，观察现象，并计算阻值，反复对程序进行调试，最后达到预想的效果 5.2 测试条件与仪器 测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。端口电压在5V和10V的条件下进行测试。 测试仪器：高精度的数字毫安表，数字示波器，数字万用表，精密可编程电流源。 5.3 测试结果及分析 5.3.1 测试结果（数据） （1）5V档测试结果如下表所示： （2）10V档测试结果如下表所示： 5.3.2 测试分析与结论 根据上述测试数据，由此可以得出以下结论： 1、输出电阻范围：100Ω～100KΩ，电阻精度：1％；电阻功率不小于1/10 （阻值为1KΩ时）。达到基础部分要求。 2、实现的电阻范围：10KΩ～1MΩ；电阻精度：0.1％；电阻功率不小于1 W （阻值为100Ω时）。 综上所述，本设计达到设计要求 六、结论 本文讨论分析了利用单片机的控制及电路的组合实现直流电阻箱的功能，且能在液晶上显示其数据，该系统模块化的设计方案，通过对A/D、D/A的转换，运用低噪声精密放大器OP27实现了高精度(1%)，宽范围(10Ω～1MΩ)，大功率(2W)的电阻，数控直流电阻箱在实际应用中泛，对生产实践有很重要的意义。
完整论文（word格式 可编辑）和源码等资料下载：
http://www.51hei.com/bbs/dpj-89742-1.html
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