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            基于555多諧振蕩器及STM32的簡易智能阻值測量儀

            作者:趙辰龍(珠海格力電器股份有限公司,珠海 51907時間:2021-07-27來源:電子產品世界收藏
            編者按:以提高元件檢測效率為目的,開發了一款簡易的電阻測量儀。該儀器可同步測量多個元器件的阻值,避免使用萬用表對元器件一個個地檢測,節約了檢測時間。該儀器集成了多個555多諧振蕩器作為阻值檢測電路以及STM32最小系統作為控制部分,實現了對阻值的自動檢測。


            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202107/427160.htm

            0   引言

            在電子世界中小到電阻,大到功率器件每一個元器件都有自己的阻值和阻抗,且大部分元器件是以阻值來衡量該元器件是否正常。在元件檢驗工作中經常使用萬用表對元件進行檢測,有時為了滿足生產而對一批元器件進行全檢,涉及的數量比較大,使用萬用表進行檢測需要重復進行,降低了檢驗效率。

            制作一款簡易智能阻值測量儀能在一定程度上提高檢測效率,由于全檢檢測時的阻值在一個范圍內波動,使用555 多諧振蕩器作為阻值檢測電路無需頻繁轉換電容,價格低廉,結構及原理簡單。阻值異常的元件會讓此檢測電路出現異常,以此篩選出異常的元件。

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            圖1 測量儀系統

            1   測量儀方案設計

            該測量儀的硬件測量系統由、555 多諧振蕩器、按鍵、顯示模塊等組成。如圖1 所示。

            1.1 模塊

            555 多諧振蕩器不需要外加起始觸發信號,即可產生一定頻率和一定幅度的矩形波信號,其頻率與外接的阻值和容值有關。

            在給555 多諧振蕩器模塊加電時,由于外接的電容電壓不能突變,則555 集成芯片處在置位狀態,輸出電平U=1,集成芯片內部的放電管Td 截止,Vcc 通過外接R1 和待測元件R2 對電容C 進行充電;當Uc 上升到2/3Vcc 時,輸出電平U0=0,放電管Td 導通,電容電壓通過待測元件R2、放電管Td 對地放電;當Uc 下降到1/3Vcc 時,輸出電平U0 由0 變成1,放電管Td 截止,Vcc 再開始對電容充電,此過程循環往復,在輸出端U0形成連續的矩形脈沖[1]。其555 多諧振蕩器模塊工作波形圖如圖2 所示。

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            圖2 工作波形

            其中:T1 ≈ 0.7(R1 + R2)C,T2 ≈ 0.7R2C。

            1.2 控制模塊

            該儀器使用F 系列單片機作為主控芯片,相比51 單片機,該芯片有51 個I/O 口,集成了8 個TIM定時器,除了TIM6、7 外都具有輸入捕獲功能[2],可以用來測量脈沖寬度,滿足進行多個元件測量的需求,如圖3 所示。該芯片集成了多個定時器且有多個通道可對外部信號源進行測量,可以實現對555 多諧振蕩器的頻率測量,并且通過軟件計算求得測量阻值,接收通過按鍵電路輸入的阻值閾值,與測量的阻值進行比較,若超過設定范圍則報警。

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            圖3 STM32及AT51單片機

            1.3 USB模塊

            該系統使用通用串行總線方式下載程序,該總線采用RS-232 標準,因此需要將通信電平USB 和TTL 電平相互轉換。采用CH640G 集成芯片設計USART 串口模塊,且在此模塊中已將數據的接收發送引腳相互交叉連接,給程序下載提供了一個可靠的路徑,如圖4 所示。

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            圖4 USB模塊

            1.4 電源模塊

            系統中STM32 需要3.3 V 電壓工作,而555 多諧振蕩器的工作電壓為5 V,需要一個電源模塊分別供電;在該儀器中集成了燈光報警和多個555 多諧振蕩器,需要用負載能力強的電源模塊。采用LM7805 電源芯片實現12 V 外部供電電壓,外接μF 濾波電容和防止大電壓輸出的保護二極管將12 V 電壓降到5 V[3],給多個和LCD1602 顯示屏供電,如圖5 所示。

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            圖5 12 V轉5 V

            采用ASM1117 集成電源芯片的固定輸出版本能高效地將電壓線性地從5 V 轉為3.3 V。外接穩壓二極管使電路輸入端電壓穩定在5 V 左右,避免浪涌電壓將損壞芯片;為了達到輸出比較穩定的目的,輸出端接上一個220 μF 電容,組成典型的降壓電路,將5 V 電壓降到3.3 V,給STM32 控制器和燈光報警電路供電,如圖6 所示。

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            圖6 5 V轉3.3 V

            1.5 按鍵模塊

            該系統中的按鍵模塊采用矩陣形式,4 行4 列16 個鍵,其中有代表0~9 數字的按鍵,1 個輸入確認按鍵,3 個為阻值單位(Ω,kΩ,MΩ),1 個為輸入清除按鍵。按鍵電路通過8 根線連接到單片機I/O 口,讓單片機對這些I/O 口輪流檢測,以確定行數和列數,最后通過軟件求得輸入值,如圖7 所示。

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            圖7 按鍵模塊

            1.6 顯示模塊

            該系統用LCD1602 作為顯示屏,顯示屏為ASCII碼字符,只能顯示字符,一行可以顯示16 個字符,總共有2 行[4],用來顯示按鍵電路輸入的值、測量值。其工作溫度符合儀器要求且價格低廉,適合在該系統內使用。由于STM32 的I/O 口可以配置上拉電阻,在使用時無需外接上拉電阻。

            在第3 引腳接上可調電阻器,以調節LCD1602 顯示屏的對比度,通過配置LCD1602 的4、5、6 引腳的電平狀態可以讀取和寫入LCD1602 顯示屏的狀態、數據和指令。第15、16 引腳為LCD1602 顯示屏的背光電源正負極,而剩余的第7 至第14 引腳為數據口,如圖8 所示。

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            圖8 顯示模塊

            2   測量儀的軟件設計

            上電開始時,該系統首先最STM32 初始化,接著進入鍵盤輸入子函數,等待輸入閾值;然后通過STM32 控制給555 多諧振蕩器測試電路上電開始測試,通過輸入捕獲測量測試電路的頻率,再通過軟件計算得出測量阻值(如圖9)。

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            圖9 軟件流程圖

            2.1 STM32初始化

            該系統的初始化主要為系統時鐘初始化、串口初始化和輸入捕獲初始化等。

            2.1.1 系統時鐘初始化

            該系統中555 多諧振蕩器的頻率較高,且需要進行多個快速測試,則需要STM32 進行快速反應,故STM32 選取外部高速時鐘源,可進行PLL 鎖相環倍頻,讓工作頻率達到72 MHz[2]。其流程圖如圖10 所示。

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            圖10 時鐘初始化

            2.1.2 串口初始化

            初始化主要是對傳輸數據速率等進行設置,需要設置相關的時鐘、引腳的輸入輸出模式和傳輸數據格式,另外還需設置中斷服務函數來讀取數據,如圖11 所示。

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            圖11 USART串口初始化

            2.1.3 輸入捕獲初始化

            當輸入捕捉到跳變電平時,將當前定時器的值存放到對應的寄存器中,完成一次對脈沖寬度的計算。因此需要開始定時器和I/O 口的時鐘,初始化定時器,配置定時器的計時頻率和計算周期;初始化輸入捕獲,定義其觸發捕獲的對象及其上升或下降沿;最后還要編寫一個中斷服務函數,用來計算脈沖寬度和開啟其他通道的輸入捕獲。

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            圖12 輸入捕獲初始化

            2.2 鍵盤輸入

            先讓1 個連接鍵盤行的I/O 口為低電平,剩下的3個行I/O口均為高電平,接著對4 個列I/O口各檢測一次,查看其列I/O 口是否有低電平,若檢測到某一列為低電平,則可以確定哪一行、哪一列的按鍵被按下。以同樣的方法依次將行I/O 口設為低電平,再各自檢測一次列I/O 口是否為低電平。將最終值作為閾值與測試的值比較,顯示在LCD1602 顯示屏上。其流程如圖13 所示。

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            圖13 鍵盤輸入

            2.3 LCD1602顯示屏

            上電使能LCD1602 顯示屏,選擇寫命令形式,設置顯示模式為16×2,5×7 點陣和8 位數據指令接口,接著將顯示屏設置為開顯示和不顯示光標狀態,每寫1 個字符地址指針自動加1,清屏后將屏幕設置為寫數據形式。顯示鍵盤輸入的值后重新把數據指針定位到屏幕的第2行,用來顯示測試的值和測試結果。在使能、對屏幕設置和數據寫入后要進行延遲操作,保證屏幕的穩定性。

            3   結束語

            阻值測量在電子元器件的檢驗中使用的次數及其頻繁,若要對成千上萬的元器件進行檢測,需要花費相當長一段時間,非常耗時費力,使用該儀器進行測量節省了時間和人力。該儀器電路簡單,測量誤差不大,適合實際使用。智能化儀器是現代工業的迫切需求,本文提供了一個設計實現大量檢測阻值的儀器思路,可以在較短時間、較少人力條件下實現元器件全檢目的,未來可以考慮使用ABB 機器人和該系統聯動,達到全自動高效檢驗的目的。

            參考文獻:

            [1] 任駿原.555單穩態觸發器的觸發特性分析[J].吉林大學學報(信息科學版),2013(2):170-172.

            [2] 丁力,宋志平,徐萌萌,等.基于STM32的嵌入式測控系統設計[J].中南大學學報:自然科學版,2013(S1):260-265.

            [3] 張永瑞,楊林耀,張雅蘭.電路分析基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

            [4] 于志贛,劉國平,等.液顯LCD1602模塊的運用[J].機電技術,2009(3):21-23.

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期)



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