機(jī)械課程設(shè)計(jì)--表面粗糙度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)由電源模塊，STM32F103ZET6單片機(jī)小系統(tǒng)模塊，OPA548構(gòu)成的5V恒壓模塊，繼電器構(gòu)成的換擋測(cè)電阻模塊，步進(jìn)電機(jī)模塊，3.2寸TFT（Thin Film Transistor 薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管)真彩觸摸屏顯示模塊組成。該設(shè)計(jì)是通過(guò)單片機(jī)控制一個(gè)內(nèi)部集成的12位DA給OPA548運(yùn)放芯片輸入電壓，從而控制運(yùn)放芯

2、片的輸出電壓，再送給繼電器構(gòu)成的換擋測(cè)電阻模塊，最后通過(guò)測(cè)試電阻上產(chǎn)生的電壓來(lái)判斷所測(cè)電阻值。其中STM32單片機(jī)小系統(tǒng)還控制內(nèi)部集成的兩個(gè)12位AD，一個(gè)采集當(dāng)OPA548輸出的值，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)使OPA548輸出恒壓5V，一個(gè)采集待測(cè)電阻值，從而控制繼電器換擋測(cè)出待測(cè)電阻值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6 12位AD/DA 繼電器 3.2寸TFT真彩觸摸屏</p>

3、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design of the power supply module, STM32F103ZET6 small single-chip system module, OPA548 constitute 5v constant pressure module, relay module consisting

4、of the shift resistor, stepper motor module, 3.2-inch TFT (Thin Film Transistor film field-effect transistor) color touch screen display module. The design is controlled by an internal integrated single-chip 12-bit DA ch

5、ip to OPA548 op-amp input voltage, thereby controlling the output voltage op-amp chip, and then sent to the relay module co</p><p>　　Keywords: STM32F103ZET6; 12-bit AD / DA; relay; 3.2-inch; TFT color touch;

6、 screen</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引 言1</b></p><p>　　2 系統(tǒng)方案論證與選擇2</p><p>　　2.1 主控芯片的選擇2</p><p>　　2.2 5V恒壓模塊的選擇2</p>

7、;<p>　　2.3 顯示模塊的選擇3</p><p><b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)總框圖4</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路4</p><p>　　4 硬件電路設(shè)計(jì)6</p><p>　　4.1電源模塊的設(shè)計(jì)6</p&

8、gt;<p>　　4.2 OPA548構(gòu)成的5V恒壓模塊設(shè)計(jì)6</p><p>　　4.3 繼電器構(gòu)成的自動(dòng)換擋測(cè)電阻模塊7</p><p>　　4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊8</p><p>　　4.5 TFT觸屏顯示模塊9</p><p><b>　　5 軟件設(shè)計(jì)10</b></p>&

9、lt;p><b>　　6 系統(tǒng)測(cè)試11</b></p><p>　　6.1 100檔位的測(cè)試11</p><p>　　6.2 1KΩ檔位的測(cè)試11</p><p>　　6.3 10KΩ檔位的測(cè)試12</p><p>　　6.4 10MΩ檔位的測(cè)試12</p><p><b&g

10、t;　　7 設(shè)計(jì)總結(jié)13</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　致 謝15</b></p><p><b>　　附錄15</b></p><p><b>　　1 引 言</b></p

11、><p>　　目前人們廣泛使用的電阻測(cè)試儀是萬(wàn)用表，用萬(wàn)用表測(cè)試電阻有兩個(gè)缺陷：其一大多數(shù)時(shí)候測(cè)試一個(gè)電阻就需要人為的換擋。其二不能自動(dòng)篩選電阻，需要人為判斷。萬(wàn)用表不能快速智能的完成電阻的阻值測(cè)量及篩選且使用起來(lái)過(guò)程繁瑣，使人們?cè)谠O(shè)計(jì)檢修電路時(shí)時(shí)間加長(zhǎng)，而在設(shè)計(jì)檢修中我們希望能夠快速的測(cè)量電阻的阻值，自動(dòng)完成電阻阻值的測(cè)量篩選?；谝陨线\(yùn)用本人設(shè)計(jì)了“簡(jiǎn)易自動(dòng)電阻測(cè)試儀”。</p><p>

12、　　2 系統(tǒng)方案論證與選擇</p><p>　　2.1 主控芯片的選擇</p><p>　　方案一：采用STC89C52系列單片機(jī)。STC89C52系列單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)有比較長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟，但此系列單片機(jī)為8位單片機(jī)，處理速度不是很快，且內(nèi)部資源太少，不能滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　方案二：采用TI公司MSP430系列單片機(jī)。MS

13、P430系列的單片機(jī)是一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令的混合信號(hào)處理器，時(shí)鐘頻率在8 MHz。內(nèi)部集成了一個(gè)12位DAC和一路12位的ADC，如果要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求雙閉環(huán)電路就需外接一路12位ADC，使電路復(fù)雜。 </p><p>　　方案三：采用ST公司的STM32系列單片機(jī)STM32F103ZET6。STM32系列單片機(jī)基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。S

14、TM32F103ZET6屬于STM32系列中的“增強(qiáng)型”系列，時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，內(nèi)置512K的閃存。具有豐富的片上外設(shè)和很強(qiáng)的運(yùn)算能力。內(nèi)部集成了三路12位ADC和高達(dá)18路AD采樣通道，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的雙閉環(huán)電路。</p><p>　　比較以上三種方案：STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部資源太少，MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部ADC不夠用，STM32F103ZET6具有MSP

15、430的所有優(yōu)點(diǎn)，且內(nèi)部資源豐富，能夠完全滿足設(shè)計(jì)需求，故選擇方案三。</p><p>　　2.2 5V恒壓模塊的選擇</p><p>　　方案一：選擇電源模塊的5V電壓，作為待測(cè)電阻的供電電壓，這樣做可使電路結(jié)構(gòu)變得很簡(jiǎn)單。但純?cè)诘膯?wèn)題是，電源模塊的5V電壓加在待測(cè)電阻模塊上，當(dāng)待測(cè)電阻很小時(shí)，使電壓被拉低，導(dǎo)致其他需要5V電壓的模塊不能正常工作。</p><p>

16、;　　方案二：選擇OPA548運(yùn)放芯片來(lái)單獨(dú)為待測(cè)電阻模塊供電。需要用到STM32F103ZET6內(nèi)部集成一個(gè)12DAC，來(lái)控制OPA548的輸入從而控制它輸出，在通過(guò)單片機(jī)芯片內(nèi)部的一個(gè)12位ADC將運(yùn)放輸出采回來(lái)跟DAC的輸出進(jìn)行對(duì)比，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，輸出5V恒定的電壓。這樣做的優(yōu)點(diǎn)，可使系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定，且測(cè)試電阻也非常精準(zhǔn)。</p><p>　　比較以上兩種方案：方案二能到達(dá)設(shè)計(jì)要求,所以本設(shè)計(jì)采用

17、方案二。</p><p>　　2.3 顯示模塊的選擇</p><p>　　方案一：使用帶有中文字符的12864液晶顯示。12864液晶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，但分辨率太低，不能很清晰的顯示由電位器的變化所形成的各點(diǎn)連成的曲線。</p><p>　　方案二：使用3.2寸TFT-LCD。3.2寸TFT-LCD，是具有26萬(wàn)色分辨率高清晰顯示屏，16位真彩顯示，可以顯示數(shù)字、

18、字符、圖片、顯示內(nèi)容豐富，能夠很清晰的顯示本設(shè)計(jì)中所要求的各種參數(shù)以及由電位器的變化所形成的各點(diǎn)連成的曲線。自帶觸摸屏，可以用來(lái)作為控制輸入。</p><p>　　比較以上兩種方案：12864液晶顯示器分辨率太低，不能很清晰的顯示由電位器的變化所形成的各點(diǎn)連成的曲線，而3.2寸TFT-LCD能夠完全滿足，故選擇方案二。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b>

19、</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)總框圖</b></p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路</p><p>　　本系統(tǒng)框圖如（圖3-1）所示由①電源模塊，②STM32F103ZET6小系統(tǒng)模塊，③恒壓芯片、恒壓采樣、電壓跟隨構(gòu)成的5V恒壓源模塊，④固定電阻網(wǎng)絡(luò)、檔位切換、待

20、測(cè)電阻、采樣、電壓跟隨構(gòu)成的繼電器自動(dòng)換檔測(cè)電阻模塊，⑤步進(jìn)電機(jī)模塊，⑥TFT真彩觸屏顯示模塊組成。</p><p>　　該設(shè)計(jì)分為2個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)：</p><p>　　⑴通過(guò)單片機(jī)控制一個(gè)內(nèi)部集成的12位DAC給運(yùn)放芯片OPA548的輸入電壓從而控制運(yùn)放的輸出電壓，然后采樣輸出的電壓，用電壓跟隨器將采樣電壓給單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)12位ADC，將DAC輸出的電壓和ADC采回的電壓對(duì)比，通過(guò)程序自

21、動(dòng)補(bǔ)償，讓OPA548的輸出為恒壓5V。</p><p>　?、茖⒑銐?V送給電阻網(wǎng)絡(luò)（共4路電阻網(wǎng)絡(luò)起到限流和限壓的作用）,再經(jīng)過(guò)檔位切換（由四個(gè)繼電器構(gòu)成，起自動(dòng)換擋的作用）,再經(jīng)過(guò)待測(cè)電阻到地。然后將待測(cè)的電阻兩端的電壓采樣到電壓跟隨器送到單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)12位ADC，最后通過(guò)程序計(jì)算出電阻值。</p><p>　　為了使測(cè)量更加精準(zhǔn)程序上采取了這樣的方法：將第一路ADC的值乘以2推

22、出當(dāng)前5V恒壓值，把這個(gè)當(dāng)前恒壓值作為第二個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的總電壓值，再利用同一支路電流相等的特性來(lái)計(jì)算待測(cè)電阻的阻值。公式為：</p><p>　　其中R3精密電阻值，r是待測(cè)電阻值。是這個(gè)方法去掉了直接用5V來(lái)作為第二個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的總電壓的誤差，使得測(cè)量精度大大提高。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)模塊作為一個(gè)附加模塊，它實(shí)現(xiàn)的功能是：由單片機(jī)去控制步進(jìn)電機(jī)，來(lái)旋轉(zhuǎn)電位器得到不同的電阻值

23、，將電位器不同阻值產(chǎn)生的不同電壓送給單片機(jī)內(nèi)部一個(gè)12位ADC，單片機(jī)處理后在屏幕上顯示出阻值變化的曲線。</p><p><b>　　4 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1電源模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　+12V和+5V采用LM2576系列3A開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器，這種穩(wěn)壓器是單片機(jī)集成電路，能提供降壓開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器的各種功能，能驅(qū)動(dòng)

24、3A的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。這系列穩(wěn)壓器內(nèi)都含有頻率器和一個(gè)固定頻率振蕩器，將外部元件的數(shù)目減少到最小，使用方面。它在指定輸入電壓和輸出負(fù)載條件下保證輸出電壓的正負(fù)4%的誤差。它的效率比流線型的三端線性穩(wěn)壓要高得多，是理想的代替。</p><p>　　-12V采用三端固定式集成穩(wěn)壓模塊LM7912，它內(nèi)部由采樣、基準(zhǔn)、放大、調(diào)整和保護(hù)等電路組成。保護(hù)電路具有過(guò)流、過(guò)熱、及短路保護(hù)功能。能在使用要求不是

25、很高的場(chǎng)合使用，圖4-1為設(shè)計(jì)電路。</p><p>　　圖4-1 電源模塊電路</p><p>　　4.2 OPA548構(gòu)成的5V恒壓模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　恒壓源模塊電路如（圖4-2）所示，使用高電壓，高電流運(yùn)算放大器OPA548連接低噪聲精密運(yùn)算器TLC2202，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)ADC輸出值。調(diào)節(jié)OPA548輸出，構(gòu)成5V恒壓閉環(huán)系統(tǒng)。</p&

26、gt;<p><b>　　圖4-2 恒壓電路</b></p><p>　　4.3 繼電器構(gòu)成的自動(dòng)換擋測(cè)電阻模塊</p><p>　　自動(dòng)換擋模擬電路如（圖4-3）所示，采用4路用繼電器，作為自動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)檔位轉(zhuǎn)換。該電路主要是根據(jù)電阻分壓的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后待測(cè)電阻上接一個(gè)電壓跟隨器（跟隨器起阻抗匹配的作用）把電壓送給單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)ADC，單片機(jī)內(nèi)部再

27、相應(yīng)的運(yùn)算處理，然后在I/O口上輸出一個(gè)高電位，使相對(duì)應(yīng)的繼電器“嗒”的一聲導(dǎo)通，測(cè)出被測(cè)電阻的阻值，顯示到屏幕上去。</p><p>　　其中固定電阻網(wǎng)絡(luò)由四只定值電阻構(gòu)成，由于單片機(jī)能夠采集的電壓超過(guò)3.3V就會(huì)采樣不精確，采集電壓設(shè)定為3.3V。其阻值可根據(jù)以下的分壓公式計(jì)算得出來(lái)。</p><p>　　檔時(shí)，假定被測(cè)電阻值為，則。計(jì)算可得R=，即檔固定電阻值為。</p>

28、<p>　　1kΩ檔時(shí)，假定被測(cè)電阻值為KΩ，則。計(jì)算可得R=，即KΩ檔固定電阻值為。</p><p>　　KΩ檔時(shí)，假定被測(cè)電阻值為KΩ，則。計(jì)算可得R=KΩ，即KΩ檔固定電阻值為KΩ。</p><p>　　MΩ檔時(shí)，假定被測(cè)電阻值為MΩ，則。計(jì)算可得R=MΩ，即MΩ檔固定電阻值為MΩ。</p><p>　　圖4-3 繼電器構(gòu)成的自動(dòng)換擋測(cè)電阻模擬電

29、路</p><p>　　4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如（圖4-4）所示，本設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)量和顯示電位器阻值隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)從而改變電位器電阻，為了能更好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我們采用L298N作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　圖4-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　4.5 TF

30、T觸屏顯示模塊</p><p>　　采用3.2寸TFT觸摸屏顯示，該顯示屏為320*240分辨率，16位真彩顯示，顯示速度快，可顯示字符，文字，圖片，本產(chǎn)品操作界面簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確，顯示效果良好。顯示模塊與主控芯片接口電路如（圖4-5）所示。</p><p><b>　　5 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　軟件設(shè)計(jì)思路說(shuō)明：軟件部分共分為5個(gè)部分

31、。其一，手動(dòng)換擋。其二，自動(dòng)換擋。其三，電阻篩選。其四，描繪曲線。其五，屏幕顯示。前四個(gè)部分的信息最后送到第五部分顯示。軟件邏輯框圖如（圖5-1）所示。</p><p><b>　　5-1 軟件邏輯</b></p><p><b>　　6 系統(tǒng)測(cè)試</b></p><p>　　測(cè)試方式為：首先在精密電阻箱上給出一個(gè)阻值，然

32、后用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得為多大阻值，再用本產(chǎn)品測(cè)試，并記錄，根據(jù)公式</p><p>　?。楸粶y(cè)電阻，為實(shí)測(cè)電阻值，萬(wàn)用表測(cè)得的阻值）</p><p>　　計(jì)算出誤差，并觀察檔位是否自動(dòng)正常跳轉(zhuǎn)。</p><p>　　6.1 100檔位的測(cè)試</p><p>　　Ω檔測(cè)試時(shí)，在電阻箱上給出任意的5個(gè)阻值，首先是萬(wàn)用表來(lái)測(cè)，然后由本產(chǎn)品測(cè)試。經(jīng)公式

33、計(jì)算，誤差均在題目規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換檔的功能。</p><p>　　6.2 1KΩ檔位的測(cè)試</p><p>　　KΩ檔測(cè)試時(shí)，在電阻箱上給出任意的5個(gè)阻值，首先是萬(wàn)用表來(lái)測(cè)，然后由本產(chǎn)品測(cè)試。經(jīng)公式計(jì)算，誤差均在題目規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換檔的功能。</p><p>　　6.3 10KΩ檔位的測(cè)試</p><p>　　KΩ

34、檔測(cè)試時(shí)，在電阻箱上給出任意的5個(gè)阻值，首先是萬(wàn)用表來(lái)測(cè)，然后由本產(chǎn)品測(cè)試。經(jīng)公式計(jì)算，誤差均在題目規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換檔的功能。</p><p>　　6.4 10MΩ檔位的測(cè)試</p><p>　　MΩ檔測(cè)試時(shí)，在電阻箱上給出任意的5個(gè)阻值，首先是萬(wàn)用表來(lái)測(cè)，然后由本產(chǎn)品測(cè)試。經(jīng)公式計(jì)算，誤差均在題目規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換檔的功能。</p><p&g

35、t;　　通過(guò)觀察以上的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出來(lái)在每個(gè)檔位的測(cè)試時(shí)，誤差均在以下，達(dá)到了題目的要求，并且根據(jù)不同阻值的電阻自動(dòng)切換檔位。</p><p><b>　　7 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電阻的自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)篩選，自動(dòng)描點(diǎn)，它比傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量方式有著顯著的優(yōu)越性，不僅可以實(shí)現(xiàn)電阻的自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)篩選，而且測(cè)量精準(zhǔn)度很高。此外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅采用

36、一塊STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，加以少量的硬件電路，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，系統(tǒng)的可靠性很高。通過(guò)大量的測(cè)試證明，本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 劉軍.例說(shuō)STM32.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.</p><p>　　[2] 全國(guó)大學(xué)生

37、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).第九屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.</p><p>　　[3]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽常用電路模塊制作. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.</p><p>　　[4]喻斌. STM32F系列ARM Cortex - M3核微控器件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2011.</p><p

38、>　　[5]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽技能訓(xùn)練[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006. [6]劉德旺.電子制作實(shí)訓(xùn)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006. [7]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽技能培訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005. [8]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(第二版).北京：清華大學(xué)出版社，2000. [9]馬忠梅．單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序．北京：北京航空航天出版社，

39、2007.</p><p>　　[10] 童詩(shī)白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社,20 [11] 王松武、于鑫.電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,20 [12] 焦素敏.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：人民郵電出版社,2005.</p><p><b>　　致 謝</b></p

40、><p>　　經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的時(shí)間，我在老師**的指導(dǎo)下，完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作。在這段時(shí)間當(dāng)中，感受最深的就是解決問(wèn)題的一些方法、技巧。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到了很多的問(wèn)題，通過(guò)查閱相關(guān)資料、冷靜理性的分析、方案的對(duì)比和實(shí)驗(yàn)證明，最終解決了所遇到的問(wèn)題。</p><p>　　這一次的課程設(shè)計(jì)，不但增強(qiáng)了我的實(shí)踐能力和論文的寫(xiě)作能力，更讓我懂得了理論和實(shí)踐相結(jié)合的重要性。當(dāng)然，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還