555多谐振荡器及STM32的简易智能阻值测量仪

只看该作者 · 2021-11-29 14:53

引言

在电子世界中小到电阻，大到功率器件每一个元器件都有自己的阻值和阻抗，且大部分元器件是以阻值来衡量该元器件是否正常。在元件检验工作中经常使用万用表对元件进行检测，有时为了满足生产而对一批元器件进行全检，涉及的数量比较大，使用万用表进行检测需要重复进行，降低了检验效率。

制作一款简易智能阻值测量仪能在一定程度上提高检测效率，由于全检检测时的阻值在一个范围内波动，使用555 多谐振荡器作为阻值检测电路无需频繁转换电容，价格低廉，结构及原理简单。阻值异常的元件会让此检测电路出现异常，以此筛选出异常的元件。

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1 测量仪方案设计

该测量仪的硬件测量系统由STM32、555 多谐振荡器、按键、显示模块等组成。如图1 所示。

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1.1 555多谐振荡器模块

555 多谐振荡器不需要外加起始触发信号，即可产生一定频率和一定幅度的矩形波信号，其频率与外接的阻值和容值有关。

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在给555 多谐振荡器模块加电时，由于外接的电容电压不能突变，则555 集成芯片处在置位状态，输出电平U=1，集成芯片内部的放电管Td 截止，Vcc 通过外接R1 和待测元件R2 对电容C 进行充电；当Uc 上升到2/3Vcc 时，输出电平U0=0，放电管Td 导通，电容电压通过待测元件R2、放电管Td 对地放电；当Uc 下降到1/3Vcc 时，输出电平U0 由0 变成1，放电管Td 截止，Vcc 再开始对电容充电，此过程循环往复，在输出端U0形成连续的矩形脉冲[1]。其555 多谐振荡器模块工作波形图如图2 所示。

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1.2 STM32控制模块

该仪器使用STM32F 系列单片机作为主控芯片，相比51 单片机，该芯片有51 个I/O 口，集成了8 个TIM定时器，除了TIM6、7 外都具有输入捕获功能[2]，可以用来测量脉冲宽度，满足进行多个元件测量的需求，如图3 所示。该芯片集成了多个定时器且有多个通道可对外部信号源进行测量，可以实现对555 多谐振荡器的频率测量，并且通过软件计算求得测量阻值，接收通过按键电路输入的阻值阈值，与测量的阻值进行比较，若超过设定范围则报警。

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1.3 USB模块

该系统使用通用串行总线方式下载程序，该总线采用RS-232 标准，因此需要将通信电平USB 和TTL 电平相互转换。采用CH640G 集成芯片设计USART 串口模块，且在此模块中已将数据的接收发送引脚相互交叉连接，给程序下载提供了一个可靠的路径，如图4 所示。

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1.4 电源模块

系统中STM32 需要3.3 V 电压工作，而555 多谐振荡器的工作电压为5 V，需要一个电源模块分别供电；在该仪器中集成了灯光报警和多个555 多谐振荡器，需要用负载能力强的电源模块。采用LM7805 电源芯片实现12 V 外部供电电压，外接μF 滤波电容和防止大电压输出的保护二极管将12 V 电压降到5 V[3]，给多个555多谐振荡器和LCD1602 显示屏供电，如图5 所示。

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采用ASM1117 集成电源芯片的固定输出版本能高效地将电压线性地从5 V 转为3.3 V。外接稳压二极管使电路输入端电压稳定在5 V 左右，避免浪涌电压将损坏芯片；为了达到输出比较稳定的目的，输出端接上一个220 μF 电容，组成典型的降压电路，将5 V 电压降到3.3 V，给STM32 控制器和灯光报警电路供电，如图6 所示。

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1.5 按键模块
该系统中的按键模块采用矩阵形式，4 行4 列16 个键，其中有代表0~9 数字的按键，1 个输入确认按键，3 个为阻值单位（Ω，kΩ，MΩ），1 个为输入清除按键。按键电路通过8 根线连接到单片机I/O 口，让单片机对这些I/O 口轮流检测，以确定行数和列数，最后通过软件求得输入值，如图7 所示。

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1.6 显示模块

该系统用LCD1602 作为显示屏，显示屏为ASCII码字符，只能显示字符，一行可以显示16 个字符，总共有2 行[4]，用来显示按键电路输入的值、测量值。其工作温度符合仪器要求且价格低廉，适合在该系统内使用。由于STM32 的I/O 口可以配置上拉电阻，在使用时无需外接上拉电阻。

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在第3 引脚接上可调电阻器，以调节LCD1602 显示屏的对比度，通过配置LCD1602 的4、5、6 引脚的电平状态可以读取和写入LCD1602 显示屏的状态、数据和指令。第15、16 引脚为LCD1602 显示屏的背光电源正负极，而剩余的第7 至第14 引脚为数据口，如图8 所示。

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2 测量仪的软件设计

上电开始时，该系统首先最STM32 初始化，接着进入键盘输入子函数，等待输入阈值；然后通过STM32 控制给555 多谐振荡器测试电路上电开始测试，通过输入捕获测量测试电路的频率，再通过软件计算得出测量阻值（如图9）。

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2.1 STM32初始化

该系统的初始化主要为系统时钟初始化、串口初始化和输入捕获初始化等。

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2.1.1 系统时钟初始化

该系统中555 多谐振荡器的频率较高，且需要进行多个快速测试，则需要STM32 进行快速反应，故STM32 选取外部高速时钟源，可进行PLL 锁相环倍频，让工作频率达到72 MHz[2]。其流程图如图10 所示。