具有设定阻值功能的电动滑动变阻器设计

廖智舟

（柳州铁道职业技术学院自动控制学院，广西柳州，545000）

0 引言

滑动变阻器在电学实验电路中使用广泛，在电路中起到分压或者分流的作用。使用的时候，一般和电压表或者电流表连在同一个电路中，用手滑动滑动手柄调节电阻大小，从而把电压或电流调节到某个值。本设计能实现通过按向左或向右运动按键控制电动机来拖动滑动手柄，从而调节滑动变阻器的电阻，减少用手滑动的麻烦。在电学实验中，常常需要在原来接入滑动变阻器的电路的位置接入某个阻值的电阻，并且有时候希望能改变为其他阻值。本设计可以设定阻值然后在滑动变阻器上准确地自动调节出该阻值的电阻，不用重新连接电路，使得做实验更加方便、快捷。

1 系统总体设计

本设计由左右滑动控制系统和给定阻值系统组成。左右滑动控制系统可以在按下向左或向右按键后使得电动机带动滑动手柄向左或向右运动，实现手动控制功能。该系统由单片机模块、控制按键和电动机拖动模块组成。给定阻值系统能输入需要调到的阻值，显示在显示器上，并且自动调节滑动变阻器到该阻值，实现阻值设定自动调节功能。该系统由键盘、显示器、分压电阻电压测量模块和电动机拖动模块组成。左右滑动控制系统的控制按键与给定阻值系统的阻值输入按键是在同一个键盘上。电动机拖动模块和键盘是两个系统共用的，只是控制程序不同。另外，这两个系统使用时是分开的，使用切换按键进行功能切换。

2 系统硬件

本设计硬件部分由单片机模块、分压电阻电压测量模块、电动机拖动模块、键盘与显示器通过电路连接而成，具体电路见图1。

图1 系统电路原理图

■2.1 单片机模块

单片机模块是本设计的核心部分，是整个设计的中枢。单片机通过执行程序实现功能。键盘和分压电阻电压测量模块向单片机输入数字信号，单片机接收、处理信号，再向显示器输出数字信号，或者向电动机拖动模块发送正反转命令信号。

该模块使用的主要器件是AT89C51 单片机。这种单片机是一种将多功能8 位微处理器和闪速存储器组合在单个芯片中的高效微控制器。它与MCS-51 指令集相兼容[1]。其包含的128×8 位内部RAM 能够满足本设计的数据处理要求。它的32 个可编程I/O 线能够满足该模块与其它模块进行信号交换。

该模块除了与其他模块连接的电路以外，本身具有单片机最小系统。最小系统包括晶振电路、复位电路、电源、接地等。

■2.2 分压电阻电压测量模块

该模块主要由ADC0809 芯片、中间继电器和分压电阻组成。其中ADC0809 芯片是8 路8 位逐次逼近型A/D 转换CMOS 器件，可对8 路0-5V 的输入模拟电压进行分时转换，并能锁存三态输出，能与8 位微处理器接口。本设计中该芯片8 个数字信号输出口与单片机P1 口分别连接，用于将转换后的8 位数字信号传递给单片机。只利用其一个模拟输入通道，作为分压电阻两端电压U2 采集输入通道[2]。由于采样速度很快，相对于滑动变阻器滑动时U2 的变化来说，可以满足单片机对其采集时间的要求。在该模块，滑动变阻器、中间继电器一个常开触点与分压电阻串联接在电源为5V 的电路中。中间继电器在需要测量分压电阻两端电压时，由单片机通过I/O 口控制其导通；在滑动变阻器阻值与设定阻值相等后，不需要测量分压电阻两端电压时，控制其断开，使滑动变阻器与5V 电源分离，以避免5V 电源干扰滑动变阻器的使用。

■2.3 电动机拖动模块

该模块的机械结构包括电动机、齿轮组、齿条、滑道等。其中齿条和滑道与滑动变阻器的滑条平行且等长。电动机与滑动变阻器的滑动手柄固定在一起。且电动机轴与齿轮组的一个齿轮同轴。齿轮组为齿数为3 比1 的两个齿轮啮合组成，能将电动机的转速减速变为原转速的三分之一，同时转矩增大3 倍。齿轮组的另外一个齿轮与齿条啮合。这样电动机正反转的时候，能通过齿轮组的传动，在齿条上左右运动，从而带动滑动手柄，整体在滑条和滑道上左右运动。

该模块电路的主要功能是实现电动机正反转控制，分为主电路和控制电路。主电路由电动机正转电路和电动机反转电路组成。这两条电路中分别用到一个中间继电器，每个继电器有两个常开触点。这两个触点一个用于接通与断开电源，一个用于接通与断开接地。两个继电器的线圈接在控制电路中，分别用两个单片机的I/O 通道控制其接通与断开。由于主电路的正、反转电路共用一个电动机，因此共用电动机的两个电源线端子，为了防止主电路短路，控制时单片机不能让两个继电器线圈同时接通[3]。

■2.4 键盘与显示器

该部分主要由键盘、显示器和8155 芯片组成。键盘是4×4 矩阵键盘，有16 个按键，其中数字0-9、小数点、“确定”键作为设定滑动变阻器阻值使用；“左”、“右”、“停”这三个键作为手动调节阻值大小时使用；“切换”键作为切换阻值设定自动调节功能与手动调节功能使用。显示器是四位数字带小数点LED 数码管显示器，作为显示设定的四位数阻值使用。8155 芯片是通用可编程单片机I/O 口扩展芯片。由于键盘和显示器需要的I/O 口比较多，如果直接连单片机，I/O 口将不够用，所以本设计采用增加一片8155 芯片，扩展单片机I/O 口。通过扩展I/O 口可以实现扫描矩阵键盘和显示器数码管的动态显示[4]。该部分的功能是控制命令的输入以及设定阻值的输入与显示。

3 系统软件设计

本设计程序使用C 语言编写，下载并保存在单片机内。软件主要实现阻值设定自动调节功能和手动控制功能。这两个功能分别由两组程序实现。另外，由于这两种功能不能同时进行，只能一个完成之后再进行下一个，因此本设计还增加了实现两种功能之间相互切换的程序，用于实现切换功能。

在单片机及其他模块接通电源之后，可以直接进行手动控制。如果需要阻值设定自动调节，就要按一下“切换”键。假如完成阻值设定自动调节功能后，需要再进行手动控制，还要按一下“切换”键。按“切换”键能实现两种功能的变换，具体流程见图2。

图2 切换程序流程图

切换到手动控制功能时，如果需要滑动变阻器的滑杆向右滑动，就按一下“右”键，需要停止向右滑动时，要按一下“停”键。如果需要滑动变阻器的滑杆向左滑动，就按一下“左”键，需要停止向左滑动时，要按一下“停”键。这些命令按键被按下后，单片机接收到相应信号就会通过I/O口向电动机控制模块发出控制信号，从而控制电动机的运动状态，具体流程见图3。

图3 手动控制程序流程图

切换到阻值设定自动调节功能时，首先要通过键盘输入需要设定的阻值，然后按下“确定”键。这时程序就会根据串联分压原理计算出当滑动变阻器为设定阻值R1 时分压电阻两端的电压U1，同时计算出滑动变阻器阻值R 变化最小变化量时分压电阻两端电压U2 对应的变化量U0。分压电阻两端的电压U2 单片机将会通过电阻测量模块实时进行测量，测量之前将控制与分压电阻串联的继电器常开触点闭合，让这个电路接通5V 电源。如果U2 大于U1+U0，单片机将控制电动机正转，滑杆就向右运动。如果U2 小于U1-U0，单片机将控制电动机反转，滑杆就向左运动。如果U2大于等于U1-U0 且U2 小于等于U1+U0，单片机将控制电动机停转，滑柄就停止运动。通过这样的运动控制，滑杆最多在几次不同方向的运动后就会停在一个位置，这时滑动变阻器的阻值就是在误差范围内的设定阻值。在自动调节完成后，也就是U1 停止变化后，单片机将控制继电器闭合着的触点断开，使滑动变阻器断开电源。具体流程见图4。其实实现该部分功能的原理是:比较滑动变阻器实际阻值R 与设定阻值R1 的大小，若R 小于R1，则调大滑动变阻器的阻值；若R 大于R1，则调小滑动变阻器的阻值。由于R 是由U2 通过关系式:R=(5-U2)＊R1/U2 计算而来，每次比较都要进行计算，浪费了单片机的资源和时间，由于R 与U2 一一对应，可以采用U2 与U1 的比较取代R 与R1 的比较，从而消除这个弊端。

图4 阻值设定自动调节程序流程图

4 结束语

本设计实现了滑动变阻器手动控制和阻值设定自动调节双重功能，使其成为电动滑动变阻器，使用起来更便捷，同时扩展了阻值设定自动调节功能。扩展的功能给滑动变阻器的使用带来新的选择，特别是对于量程阻值大的滑动变阻器，设定阻值自动调节的阻值范围也随着增大，使用起来选择余地也就越大。另外，实现本设计功能使用的单片机控制的电动机拖动系统，结构简单，操作方便，可靠性强，性价比较高。