论文部分内容阅读
摘 要：文章的设计实现了电阻准确测量，自动档位转换，测量范围为0～10 MΩ，设置100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、10 MΩ共4个档位。主要由电源电路、恒压源电路、换挡电路、24位ADC转换电路、MSP430单片机小系统、步进电机、继电器、显示电路等几个部分组成。能对测量电阻进行精确计算，在LCD显示屏上显示出所测得的电阻的阻值，经测试验证，其测量准确度达到为1%。
关键词：MSP430F149；24位A/DC转换；跟随器；继电器
中图分类号：TM934.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）12-0003-02
1 系统方案
①控制芯片的论证与选择。采用TI公司MSP430系列单片机。MSP430系列的单片机拥有业界超低功耗，强大的处理能力，高性能模拟技术及丰富的片上外围模块，系统工作稳定，方便高效的开发环境，因此在性价、功耗、速度上都有优势。MSP430系列单片机是16位单片机，处理速度快，资源丰富。
②主电源模块的论证与选择。采用LM317/LM337三端可调稳压器，输出从1.2～37 V范围可调，输出电流大于1.5 A。这些稳压器仅需要两只外接电阻以设定输出电压和一只输出滤波电容。LM317系列具有内部限流、热过载保护和输出晶体管安全区保护等功能。
③A/D模块的论证与选择。使用24位数模转换芯片ADS1 255，具有业界较高性能的模数转换器，可以达到较高的转换精度。由于本系统对转换精度和低功耗有相当高的要求，权衡的考虑软硬件复杂度和实际的效果，故我们选择24位数模转换芯片ADS1 255作为模数转换电路的主芯片。
④电机模块的论证与选择。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的相对的简单，能达到控制要求。
⑤换挡模块的论证与选择。继电器是一种电控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路的作用。在本设计中用于电阻换挡。
⑥驱动电路的论证与选择。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。L298N可方便地驱动46 V、2 A的步进电机，且外围电路简单、元件少、重量轻。
⑦显示模块的论证与选择。本系统采用液晶LCD12 864进行显示相应内容。其可以显示各种复杂的字符、数字、体积小、功耗低、像素高、信号响应时间短、控制方便、显示方式多、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，可以实现菜单驱动方式的显示效果，实现编辑模块全屏幕编辑的功能。且本身具有控制器，可以节约主单片机的一些资源更好的应用到其他功能，减轻了主单片机的负担。
⑧按键模块的论证与选择。采用的4×4的矩阵式键盘，矩阵式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键中按键的个数是M×N个。这种形式的键盘結构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率，行列适用于按键输入多的情况。键盘主要作为一种输入设备，它给出一个给定值和误差值然后送给单片机进行处理。键盘电路主要是控制电阻的手动测量和自动测量的转换等。
2 电阻测量原理
根据电阻分压计算待测电阻的阻值，给定一个稳定的输出电压，给定一个已知电阻R0和待测电阻Rx串联，经过采样，得出待测电阻Rx上的电压Ux，由稳定输出电压5 V减去待测电阻Rx上的电压Ux，可得已知电阻R0上的电压，由已知电阻R0上的电压，可得电流I，由待测电阻Rx上的电压Ux和电流I就可得出待测电阻Rx的阻值。其中I=（5 V-Ux）/R0，Rx=Ux/I。例如，恒压源输出电压是+5 V，假如待测电阻Rx上取得的取样电压是3V，那么R0上的电流I=（5-3）/ R0；可以算出I=20 mA，Rx=3/20 MA=150 Ω。这就说明被测电阻值为150 Ω。
3 主要硬件设计
①系统总框图如图1所示。
②恒压源模块的设计。我们使用了一个可编程的精密稳压二极管TL431和一片高性价比、低功耗的LM324运放芯片，完成了基准电压电路设计，如图2所示。图2中由TL431、R11、LM324模块构成了基准电压，它也是一个恒压源。12 V电源电压输入以后，经过R11限流，由TL431基准电压芯片进行稳压，输出一个2.5 V的恒定基准电压，该电压输入给运算放大器LM324。由图可知，该运放为同相比例运放，其外接电阻R114和U111被设置为相等时，其电压放大倍数为2倍，将输出一个恒定的5 V电压。
③主控制模块设计。MSP430F149有6个八位并行接口，实现该系统所的信号的输入、输出，无须硬件扩展，其中P1口是实现对键盘功能的控制，使键盘的软、硬件设计变的非常简单，P2口主要是控制采集ADS1 255送入的数字信号，作计算处理。
④驱动电路设计。L298N电机驱动芯片，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。工作稳定电机驱动信号由单片机提供，信号经过光耦隔离后，传至PWM 控制芯片L298N，通过L298N的输出脚与电机相连，L298N的连接方法如图3所示。
4 软件的设计
自动电阻测试仪的软件重要任务就是对AD采样返回的数据进行适当的计算，把它对应的电压信号送到主控制模块中，把电阻值、筛选结果在液晶上显示出来。ADC的任务是对电阻的变化最终引起电压变化的模拟量进行采集，软件流程如图4所示。
参考文献：
[1] 曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京：航空航天大学出版社出版，2007.
[2] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：航空航天大学出版社，2003.
[3] 王松武，于鑫.电子创新设计与实践[M].北京：国防工业出版社，2005.
[4] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2011.
关键词：MSP430F149；24位A/DC转换；跟随器；继电器
中图分类号：TM934.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）12-0003-02
1 系统方案
①控制芯片的论证与选择。采用TI公司MSP430系列单片机。MSP430系列的单片机拥有业界超低功耗，强大的处理能力，高性能模拟技术及丰富的片上外围模块，系统工作稳定，方便高效的开发环境，因此在性价、功耗、速度上都有优势。MSP430系列单片机是16位单片机，处理速度快，资源丰富。
②主电源模块的论证与选择。采用LM317/LM337三端可调稳压器，输出从1.2～37 V范围可调，输出电流大于1.5 A。这些稳压器仅需要两只外接电阻以设定输出电压和一只输出滤波电容。LM317系列具有内部限流、热过载保护和输出晶体管安全区保护等功能。
③A/D模块的论证与选择。使用24位数模转换芯片ADS1 255，具有业界较高性能的模数转换器，可以达到较高的转换精度。由于本系统对转换精度和低功耗有相当高的要求，权衡的考虑软硬件复杂度和实际的效果，故我们选择24位数模转换芯片ADS1 255作为模数转换电路的主芯片。
④电机模块的论证与选择。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的相对的简单，能达到控制要求。
⑤换挡模块的论证与选择。继电器是一种电控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路的作用。在本设计中用于电阻换挡。
⑥驱动电路的论证与选择。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。L298N可方便地驱动46 V、2 A的步进电机，且外围电路简单、元件少、重量轻。
⑦显示模块的论证与选择。本系统采用液晶LCD12 864进行显示相应内容。其可以显示各种复杂的字符、数字、体积小、功耗低、像素高、信号响应时间短、控制方便、显示方式多、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，可以实现菜单驱动方式的显示效果，实现编辑模块全屏幕编辑的功能。且本身具有控制器，可以节约主单片机的一些资源更好的应用到其他功能，减轻了主单片机的负担。
⑧按键模块的论证与选择。采用的4×4的矩阵式键盘，矩阵式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键中按键的个数是M×N个。这种形式的键盘結构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率，行列适用于按键输入多的情况。键盘主要作为一种输入设备，它给出一个给定值和误差值然后送给单片机进行处理。键盘电路主要是控制电阻的手动测量和自动测量的转换等。
2 电阻测量原理
根据电阻分压计算待测电阻的阻值，给定一个稳定的输出电压，给定一个已知电阻R0和待测电阻Rx串联，经过采样，得出待测电阻Rx上的电压Ux，由稳定输出电压5 V减去待测电阻Rx上的电压Ux，可得已知电阻R0上的电压，由已知电阻R0上的电压，可得电流I，由待测电阻Rx上的电压Ux和电流I就可得出待测电阻Rx的阻值。其中I=（5 V-Ux）/R0，Rx=Ux/I。例如，恒压源输出电压是+5 V，假如待测电阻Rx上取得的取样电压是3V，那么R0上的电流I=（5-3）/ R0；可以算出I=20 mA，Rx=3/20 MA=150 Ω。这就说明被测电阻值为150 Ω。
3 主要硬件设计
①系统总框图如图1所示。
②恒压源模块的设计。我们使用了一个可编程的精密稳压二极管TL431和一片高性价比、低功耗的LM324运放芯片，完成了基准电压电路设计，如图2所示。图2中由TL431、R11、LM324模块构成了基准电压，它也是一个恒压源。12 V电源电压输入以后，经过R11限流，由TL431基准电压芯片进行稳压，输出一个2.5 V的恒定基准电压，该电压输入给运算放大器LM324。由图可知，该运放为同相比例运放，其外接电阻R114和U111被设置为相等时，其电压放大倍数为2倍，将输出一个恒定的5 V电压。
③主控制模块设计。MSP430F149有6个八位并行接口，实现该系统所的信号的输入、输出，无须硬件扩展，其中P1口是实现对键盘功能的控制，使键盘的软、硬件设计变的非常简单，P2口主要是控制采集ADS1 255送入的数字信号，作计算处理。
④驱动电路设计。L298N电机驱动芯片，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。工作稳定电机驱动信号由单片机提供，信号经过光耦隔离后，传至PWM 控制芯片L298N，通过L298N的输出脚与电机相连，L298N的连接方法如图3所示。
4 软件的设计
自动电阻测试仪的软件重要任务就是对AD采样返回的数据进行适当的计算，把它对应的电压信号送到主控制模块中，把电阻值、筛选结果在液晶上显示出来。ADC的任务是对电阻的变化最终引起电压变化的模拟量进行采集，软件流程如图4所示。
参考文献：
[1] 曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京：航空航天大学出版社出版，2007.
[2] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：航空航天大学出版社，2003.
[3] 王松武，于鑫.电子创新设计与实践[M].北京：国防工业出版社，2005.
[4] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2011.