基于51單片機的電子器件測試儀的設計.doc

1 緒論隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，電子技術在航空航天、工業(yè)、農業(yè)、交通運輸?shù)葒窠?jīng)濟諸多領域中得到了廣泛的應用，而電子測量又是電子技術信息檢測的重要手段，在現(xiàn)代高科技應用技術中起著非常重要的作用。伴隨著工業(yè)生產的發(fā)展，對測量提出了更高的要求?？焖?、實時、精確、自動的測量已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代測量技術的主流。20世紀是基于大規(guī)模集成電路發(fā)展的重要時期，它同時也促進了電子測量儀器技術的革命。由于大規(guī)模集成電路的大量應用，使得現(xiàn)代電子測量儀器體積更小、功能更全面、可靠性更高、功耗更低。1.1 課題背景及意義近年來，計算技術和微電子技術的迅猛發(fā)展為電子測量和測量儀器增添了巨大活力。電子計算機尤其是微型電子計算機與電子測量儀器相結合，構成了一代嶄新的儀器和測試系統(tǒng)，即人們通常所說的“智能儀器”和“自動測試系統(tǒng)”，它不僅改變了若干傳統(tǒng)測量的概念，更對整個電子技術和其他科學技術產生了巨大的推動作用。 1.1.1 電子測量技術的應用在電子系統(tǒng)設計中，電子器件及它們的有機連接構成了具有各種功能的電子電路。如何順利地完成從電路圖到一個成型并運轉正常的電子系統(tǒng)，需要很大的技術。無論是電路圖設計中有任何紕漏或焊接時有任何差錯，都有可能導致電子系統(tǒng)最終無法正常工作。有時費盡心機設計了一個完美無瑕的系統(tǒng)電路，并且費盡力氣正確地焊接了所有元器件，一運行時系統(tǒng)還是會出現(xiàn)不工作或者與設計不同的運行效果。如果排除設計和焊接的失誤，出現(xiàn)不正常的原因恐怕就是某個或多個電子元器件本身存在質量問題，致使系統(tǒng)中某些模塊狀態(tài)異常。到時除了后悔當時沒有仔細檢查器件質量就盲目焊接，恐怕也沒什么可抱怨的。各種各樣的器件如電阻、電容、集成電路等都是由工廠生產的，雖然工廠努力把器件的出廠合格率做到100%，但是其中具有一些瑕疵還是不可避免的，這有可能是出廠檢測的疏漏，也有可能是在運輸、儲存器件時因內、外部環(huán)境改變而使器件的質量發(fā)生變化?？傊?，我們從任何地方采購的器件誰也不能保證它們是100%合格的。所以，在焊接元器件之前有必要對它們進行一次全面的“體檢”，這對最終系統(tǒng)的正確性、穩(wěn)定性、可靠性都具有很大的意義。除了可以使用萬用表對電阻、電容、二極管等器件進行檢測外，還需要經(jīng)常用到集成電路測試儀，也稱IC測試儀。根據(jù)IC測試儀的型號不同，可以測量的芯片也不同，其中包括定時器、運算放大器、比較器、穩(wěn)壓器、二極管、光耦、驅動器和通信IC等。有了這樣一臺IC測試儀，就像有了一個“聽診器”，可以在焊裝芯片等器件之前對其進行“體檢”，把故障排除在萌芽階段。近年來我國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進步，特別是通用電子測量設備研發(fā)方面，與國外先進產品的差距正在快速縮小，對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術的發(fā)展，為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機，加上各級政府日益重視，以及中國自主應用標準研究的快速進展，都在為該產業(yè)提供前所未有的動力和機遇。在國外，為適應高可靠電子元器件發(fā)展對質量控制標準的要求，美國通過對GJB548“微電子器件試驗方法和程序”頂層結構的剖析和典型具體細微內容的研究，提高了軍用電子元器件質量檢測能力。目前全球針對電子測量的儀器種類繁多，功能也相當齊全。其中包括最先進的靜電測試儀，直流電阻測試儀，數(shù)字式接地電阻測試儀。就拿Tencor公司儀器部生產的Sonogagept_2型無接觸測試儀為例，它可以為硅片檢測提供簡易準確、無接觸的測試手段。該測試儀與眾不同，它能在同一點位置上同時測試出整片硅片的厚度、電阻率、晶片電阻及摻雜型號，而不接觸硅片的拋光表面。具有速度快、精度高、無沾污及較高的穩(wěn)定性等特點。雖然現(xiàn)在電子測試儀種類繁多，功能也越來越齊全，但目前還沒出現(xiàn)一種測試儀能檢測日常生活中所用到的所有電子元件。所以在這一方面，還有待人類的進一步研究。本文設計的電子器件測試儀主要的服務群體是學生。在學生平時的電子系統(tǒng)設計中也需要檢測各種常用元器件的功能好壞，但市面上的檢測儀不僅價格昂貴，且功能單一，讓許多電子設計愛好者望文卻步。同時，本文設計的電子器件測試儀還可以應用在日常教學實驗中，其設計原理簡單，操作也十分快捷。由于學生對單片機的熟悉程度和運用能力相對較高，所以本文設計是以單片機為核心的電子器件測試儀。在設計中，各個模塊的設計也是基于原理簡單、元器件性價比高的原則。盡管本設計全方位考慮其功能實現(xiàn)和產品的完美，但肯定還有不足，這需要以后進行更深一步的探討和研究。1.1.2 單片機系統(tǒng)單片機就是微控制器，它是嵌入式系統(tǒng)中重要且發(fā)展迅速的組成部分。單片機接上振蕩元件（或振蕩源）、復位電路和接口電路，載入軟件后，可以構成單片機應用系統(tǒng)。將它嵌入到形形色色的應用系統(tǒng)中，它就成為眾多產品、設備的智能化核心。隨著單片機運行速度的提高和片內資源的增加，系統(tǒng)中必要的硬件配置已經(jīng)可以大大減少，某些硬件的功能也可以有軟件來實現(xiàn)。與此同時，低成本、高性能的硬件元器件也在不斷地發(fā)展和出新，這為嵌入式系統(tǒng)的設計提供了更多的選擇。某些功能到底是由硬件完成，還是由軟件實現(xiàn)，要根據(jù)系統(tǒng)要求、性價比、可靠性和開發(fā)周期等多種因素綜合考慮。單片機的出現(xiàn)是計算機發(fā)展史上的一個很重要的里程碑，是智能化的核心。單片機使計算機從海量數(shù)值計算進入到智能化控制領域。1.1.3 單片機系統(tǒng)的PROTEUS設計與仿真PROTEUS是英國Labcenter Electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件。它是目前世界上最完整的多種型號單片機（微控制器）系統(tǒng)的設計與仿真平臺。它實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設計與電路設計、單片機代碼級調試與仿真、電路分析與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB的完整的電子設計、研發(fā)過程。PROTEUS從1898年問世至今，經(jīng)過了近20年的使用、發(fā)展和完善，功能越來越強。PROTEUS不僅可將單片機實例功能形象化，而且可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在很大程度上能得到實物演示實驗的效果，后者卻是實物演示實驗難以達到的效果。但它的元器件、連接線路等卻和普通的單片機實驗硬件高度對應。這在相當程度上能替代傳統(tǒng)的單片機實驗教學的功能。課程設計、畢業(yè)設計是學生走向就業(yè)過程中重要的實踐環(huán)節(jié)。由于PROTEUS能提供實驗室無法相比的大量的元器件庫，并且提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量和質量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也為學生提供了培養(yǎng)實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。 隨著科學技術的發(fā)展，“計算機仿真技術”已經(jīng)成為許多電子設計部門重要的前期設計手段。它具有設計靈活，結果和過程的統(tǒng)一的特點?？梢钥s短設計時間、減少資金投入，同時也可降低工程制造的風險。相信在將來單片機開發(fā)應用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應用。使用Proteus軟件進行單片機系統(tǒng)的仿真設計，是把虛擬仿真技術和計算機多媒體技術相結合的綜合運用，這樣可以培養(yǎng)學生的電路設計能力及仿真軟件的操作能力；在單片機課程設計中，我們使用Proteus開發(fā)環(huán)境對學生進行培訓，在完全不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，與單純學習書本知識相比單片機的學習更容易接受，更容易提高。實踐證明，先使用Proteus進行系統(tǒng)仿真等開發(fā)成功之后再進行實際制作，可以極大提高單片機系統(tǒng)設計效率。因此，Proteus具有較高的推廣利用價值。2 總體方案論證根據(jù)題目要求，此電子器件測試儀由下列模塊組成：主控電路模塊、按鍵選擇模塊、液晶顯示模塊、555測試模塊、運放741測試模塊、電容測試模塊、二、三極管測試模塊，具體論證與設計方案如下。2.1 系統(tǒng)方案本設計中，考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用AT89C51系列的單片機為核心來實現(xiàn)555芯片、電容、二極管、三極管、741運放測試模塊的控制。顯示模塊擬采用LCD1602來顯示檢測結果。測試儀總體設計框圖如圖2.1所示。鍵盤控制模塊LCD1602顯示模塊主控制器AT89C51單片機二、三極管測試模塊555測試模塊運放741模塊電容測試模塊圖2.1 測試儀總體設計框圖2.2 設計方案論證2.2.1 主控模塊設計方案與論證（1）方案一：以51單片機為控制核心，電路測試的信號經(jīng)單片機處理后將處理的結果在液晶屏上顯示出來。它具有價格便宜，軟件處理簡單方便的優(yōu)點，在性價比和時間上占很大優(yōu)勢，特別是STC89LE58RD+等單片機相對功耗較低，有利于減小系統(tǒng)功耗。缺點是51系列單片程序處理時間相對較長，供電電壓相對較高。（2）方案二：以ARM7嵌入式電路板作為控制核心；內嵌UC/OS-操作系統(tǒng)，電路測試的信號經(jīng)過單片機處理后將處理結果在液晶屏上顯示出來。其優(yōu)點是縮短了數(shù)據(jù)處理的時間，并且其單片機適合節(jié)點給定電壓，不需要升壓，減少了一定的外圍電路，但是其價格較貴，在軟件處理方面較復雜，在性價比和時間上有一定的差距。（3）方案三：以MSP430等新型單片機為控制核心。MSP430系列單片機可以設置其工作在低功耗模式下，功耗低于C8051系列的一個數(shù)量級以上，擁有業(yè)界最低功耗，很適合電池組低壓供電的。其缺點是對于開發(fā)環(huán)境不熟悉，需要較長的開發(fā)周期。通過比較，從多方面因素考慮，我選擇了方案一，采用51單片機。2.2.2 555測試模塊與741測試模塊設計方案與論證（1）方案一：555芯片與741運放綜合測試模塊。用兩個小8腳雙列直插IC座，如圖2.2連接。555接成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的振蕩頻率為，圖示參數(shù)的振蕩頻率約為1HZ，若555為好的，則發(fā)光二極管lED1將周期地閃亮；否則，為壞的。741的接法由開關K2控制。轉換開關K2用于控制555振蕩信號加至741的同相端或反相端，前者使LED2的閃光與LED1同步，后者作為反相器時，LED2與LED1交替閃爍。圖2.2 555與741檢測電路（2）方案二：555芯片與741運放獨立測試模塊。555測試模塊是用555時基電路構成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，單片機通過檢測其輸出電壓的高低來判斷555輸出波形是否為方波，若為方波則芯片是好的，反之芯片就是壞的。741測試模塊是利用插入的運放741與外圍的電阻構成一個比較器，單片機通過檢測比較器的輸出就可以判斷運放的質量。綜上所述，雖然方案一與方案二整體的設計思路相差不大，但方案二更能充分利用芯片資源，且顯示更加直觀，所以我選擇方案二。2.2.3 二極管和三極管測試模塊設計方案與論證 （1）方案一：二極管的測試采用正弦半波法。其電路如圖2.3所示，觸發(fā)晶閘管T，調整電流源G，使通過二級管D的正向峰值電壓為給出的規(guī)定值。脈沖持續(xù)時間Tp、正相電流變化率dif/dt和C1兩端的電壓V1應與規(guī)定條件一致，即可判斷二極管是否導通。三極管的測試則采用IC17414的施密特6非門集成電路。電路如2.4圖所示，測試時通過變色發(fā)光二極管LED1和LED2的組合發(fā)光顏色不同來實現(xiàn)判別。該集成電路內的非門均具有電壓回滯特性，利用這個特性及外圍電路構成振蕩器可對三極管進行測試。但這種方法比較復雜，且不能充分利用芯片資源。圖2.3 正弦半波法測試二極管電路圖（2）方案二：采用51單片機端口檢測。二極管的正極與51單片機的P3.5端口連接，通過判斷二極管是否導通就可檢測出二極管的正反向性。三極管的基極和51單片機的P3.4端口連接，根據(jù)電壓的高低就可檢測出三極管的管型。此方法操作簡單快捷，符合本設計的要求。鑒于以上分析，我選擇方案二。2.2.4 電容測試模塊設計方案與論證 （1）方案一：利用多諧振蕩原理如圖2.1所示。電容C電阻R和555芯片構成一個多諧振蕩電路。在電源剛接通時，電容C上的電壓為零，多諧振蕩器輸出V0為高電平V0通過R對電容C充電。當C上沖得的電壓Vc=Vr時，施密特觸發(fā)器翻轉，V0變?yōu)榈碗娖剑珻又通過R放電，Vc下降。當Vc=Vr時施密特觸發(fā)器又翻轉，輸出Vc又變?yōu)楦唠娖?，如粗往復產生震蕩波形。（2）方案二：直接根據(jù)充放電時間判斷電容值，這種電容測量方法主要利用了電容的充放電特性Q=UC，放電常數(shù)r=RC，通過測量與被測電容相關電路的充放電時間來確定電容值。一般情況下，可設計電路使T=ARC（T為振蕩周期或觸發(fā)時間；A為電路常數(shù)與電路參數(shù)有關）。這種方法中應用了555芯片組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在秒脈沖的作用下產生觸發(fā)脈沖，來控制門電路實現(xiàn)計數(shù)，從而確定脈沖時間，通過設計合理的電路參數(shù)，使計數(shù)值與被測電容相對應。這種方法硬件結構相對復雜，實際上是通過犧牲硬件部分來減輕軟件部分的負擔，但在具體設計中會碰到很大的問題，而且硬件一旦設計好，可變性不大。（3）方案三：基于AT89C51單片機和555芯片構成的多諧振蕩電路電容測量。這種電容測量方法主要是通過使用一塊555芯片來測量電容，讓555芯片在直接反饋無穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下工作，555芯片輸出一定頻率的方波，其頻率的大小跟被測量的電容之間的關系如式2.4所示。 式 （2.4）當我們固定R的大小，其公式變化為式2.5。 式 （2.5）所以我們只要能夠測量出555芯片輸出的頻率，就可以計算出被測量的電容的大小。計算頻率的方法可以利用單片機的計數(shù)器T0和中斷INT0，配合使用來測量。綜上所述，我選擇方案三，這種研究方法相對簡單，容易操作。2.2.5 顯示模塊設計方案與論證（1）方案一：采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描，LED數(shù)碼管價格適中，不要顯示比較多的數(shù)字時數(shù)碼管的使用必然會增多，連線方面會很麻煩，編程上也會相應的復雜?？紤]到效率的因素不采用數(shù)碼管顯示。 （2）方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列發(fā)光二級管組成，在很多場合可以看到這種顯示方式，但是在電子中顯示時間這一塊不合適，以來點陣顯示在文字上有優(yōu)勢，但顯示數(shù)字存在一定的劣勢，以來不夠直觀，二來顯得有點浪費。綜合考慮各種因素排除這種方案。 （3）方案三：采用LCD1602液晶顯示，液晶顯示屏顯示的功能強大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見。與數(shù)碼管顯示相比，再直觀程度上和亮度清晰度上都存在和多優(yōu)勢，并且現(xiàn)在液晶顯示已成為主流，被人們普遍接受，符合大眾口味。綜上所述，我選擇方案三，它具有豐富多樣性、靈活性、電路結構簡單、易于控制而且功耗小等優(yōu)點，對于信息量多的系統(tǒng)，是比較合適的。3 硬件電路設計硬件電路分為以下幾部分：主控模塊電路，二、三極管測試模塊電路，555測試模塊電路，741測試模塊電路，電容測試模塊電路和液晶顯示模塊電路。3.1 主控模塊設計 在本課題中，由于單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構建各種規(guī)模的應用系統(tǒng)，且應用系統(tǒng)具有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全通過軟件實現(xiàn)。另外，本設計還需要使用單片機的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等，因此，選擇以單片機為核心作為主控模板進行電路設計具有極大的必要性。在硬件設計中，本設計選用了常用的AT89C51單片機。AT89C51是低功耗、高性能、經(jīng)濟的8位CMOS微處理器，工作頻率為0Hz24MHz，內置4K字節(jié)可編程只讀閃存， 16位可編程I/O總線。AT89C51單片機包含的中央處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線都在本設計中有所作用，現(xiàn)在僅將上述芯片管腳分別加以說明。VCC：系統(tǒng)供電電壓。GND：接地端。RST：復位輸入端。XTAL1：反向振蕩放大器和內部時鐘工作電路的輸入端。XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反向振蕩器輸出端。P0口：P0口是一個8位漏級開路雙向I/O口，每個腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，就被定義為高阻輸入。P0可以用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。其中P0.0P0.7為液晶顯示接口。P1口：P1口是一個8位雙向I/O口可以內部提供上拉電阻，P1口緩沖器可以接收，輸出4TTL門電流。 P2口：P2口是一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可以接收，輸出4個TTL門電流，在P2口被寫“1”時，其管腳就被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳由于被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉導致的。P2口在用于16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取或外部程序存儲器時，P2口將輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它能利用內部上拉的優(yōu)勢，對外部的八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口將輸出其特殊功能寄存器的內容。P1.3P1.7是接測試模塊按鍵選擇開關。P3口：P3口管腳是8個雙向I/O口具有內部上拉電阻的功能，可以接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”之后，它們就被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時，由于外部下拉為低電平的緣故，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉導致的。P3.2接電容測試模塊，P3.3接555測試模塊，P3.1與P3.7接741測試模塊。AT89C51工作的最簡單的電路是其外圍接一個晶振和一個復位電路，給單片機接上電源和地，單片機就可以工作了。其最簡單的工作原理圖如圖3.1所示。圖3.1 單片機工作原理圖3.1.1 復位電路與上拉電阻設計 復位電路的作用是在復位或上電過程中，控制CPU的復位狀態(tài)：這段時間內讓CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作。本課題的復位電路有手動按鈕復位和上電復位兩種功能。手動按鈕復位是需要人為的在復位輸入端RST上加入高電平（如圖3.2所示）。一般通過在正電源VCC和RST端之間接一個按鈕。當人為的按下按鈕時，VCC的+5V電平就會直接加到REST端。圖3.2 手動復位與上電復位原理圖上電復位需要在RST復位輸入引腳上接一個電容至VCC端，下接一個電阻到接地端即可，如圖3.2所示。上電復位的工作流程是在加電時，復位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，這個高電平信號隨著VCC對電容的充電過程而慢慢回落，由此可以得到RST端的高電平持續(xù)時間由電容的充電時間決定。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上拉電阻是用兩個10K8的排阻接到電源上，如圖3.3所示，當單片機的引腳沒有輸出信號的時候，電阻就相當于導線，這時引腳為高電平，當單片機的引腳有低電平輸入的時候，電壓通過電阻不會改變引腳的電壓，但是卻能夠分得一部分電流，進而提高驅動能力。圖3.3 上拉電阻電路原理圖3.2 二極管測試模塊設計二極管檢測是利用二極管的正極與單片機的P3.5端口連接，負極接地，如圖3.4所示。當單片機檢測出低電平時，說明二極管導通，顯示屏將顯示出P。當單片機檢測出高電平，說明二極管沒有導通，顯示屏將顯示N。圖3.4 二極管測試原理圖3.3 三極管測試模塊設計三極管檢測是利用三極管的基極與單片機的P3.4端口連接，集電極接+5V電源，發(fā)射極接地，如圖3.5所示。當時，若處電壓為0，則VBVE，Q1導通，所以Q1為NPN管。若處的電壓為5V，則VC=VB，Q1截止，所以Q1為PNP管。當時，若處電壓為5V，則VB=VE，Q1截止，所以Q1為NPN管。若處電壓為0，則VCVB，Q1導通，所以Q1為PNP管。圖3.5 三極管測試原理圖3.4 電容測試模塊設計本設計選擇基于AT89C51單片機和555芯片構成的多諧振蕩電路的電容測量方法。電容測試的原理圖如圖3.6所示。圖3.6 電容測試原理圖在前面的介紹中我們知道：555時基芯片的輸出頻率跟所使用的電阻R和電容C的關系如式（3.1）所示。 式（3.1）又因為，所以式（3.1）可以轉化為式（3.2）和式（3.3）。 式（3.2） 式（3.3）因單片機采用12M的晶振，當計數(shù)器T0的值增加1，時間就增加1S，因此采用中斷的方式來啟動和停止計數(shù)器T0，中斷的觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)，第一次中斷到來時啟動T0，計數(shù)器的值為，第二次中斷到來時停止T0，計數(shù)器器的值為，則測量方波的周期為式（3.4），令開始時刻計數(shù)器的值，則公式可變?yōu)槭剑?.5）。 式 （3.4） 式 （3.5）簡單時序圖如圖3.7所示。T啟動T0停止T0555輸出的方波圖3.7 簡單時序圖則電容的計算公式如式（3.6）所示。 式 （3.6）單片機計數(shù)器的值N=065535，為了測量的精度，N的取值一般在1005000，當電阻R越大，相應的電容C的值就越小。所以我們取不同的電阻值，就可以得到不同的電容測量的量程。此次電容測量范圍的大小為10nF10uF。3.5 555芯片測試模塊設計 555測試模塊是用555時基電路構成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，單片機通過檢測其輸出電壓的高低來判斷555芯片的好壞。無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器是將555與三個阻、容元器件如圖3.8連接，便構成振蕩模式。此外，放電晶體被驅動而導通，第七腳的輸出將電容C1經(jīng)電阻Rb放電，電容器的電壓就開始下降，直到降到觸發(fā)位準1/3VCC。圖3.8 無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器正反器再次被觸發(fā)，導致第三腳輸出回到高態(tài)，且放電晶體管截流，因此電容器C1再次經(jīng)由電阻Ra及Rb充電，當重復這些動作時就會產生振蕩，振蕩器的波形為三角波和方波，如圖3.9所示。圖3.9 無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器波形圖在檢測555芯片好壞時，是將芯片引腳4接+5V，引腳3接單片機的P3.3，如圖3.10所示。若555芯片是好的，則說明當引腳4輸入高電平，引腳3輸出方波，單片機判斷出電壓的跳變并在顯示屏上顯示出555 can use。若555芯片是壞的，則說明當引腳4輸入高電平，引腳3沒有方波輸出，單片機沒有判斷出電壓的跳變并在顯示屏上顯示出555 cant use。圖3.10 555測試模塊原理圖3.6 運放741測試模塊設計741是通用高增益運算放大器，應用十分廣泛，具有雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓22V，差分電壓30V，輸入電壓18V，允許功耗500mW圖3.11是741引腳圖，圖3.12是其內部功能圖。其中1腳和5腳是偏置（調零端），2腳是反向輸入端，3腳是正向輸入端，4腳接地，6腳是輸出，7腳接電源，8腳空腳。_+12345678圖3.11 UA741引腳圖741測試模塊是利用741T1口與741T2口分別和單片機的P3.1與P3.6連接，如圖3.13所示。若2腳反相輸入端電壓大于3腳正相輸入端電壓，則741T2口電壓為0，單片機通過檢測輸出電壓就能判斷出741是好的。若2腳反相輸入端電壓小于3腳正相輸入端電壓，則741T2口電壓還是0，單片機通過檢測輸出電壓就能判斷出741是壞的。圖3.12 UA741內部功能圖圖3.13 741測試模塊原理圖3.7 液晶顯示模塊設計液晶顯示模塊是用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，本設計中采用1602字符型液晶顯示器。1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個或者等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。但是它由于微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中。LCD1602的基控制器大部分為HD44780，芯片工作電壓為4.5V5.5V，模塊最佳工作電壓為5.0V，顯示容量為個字符，工作電流為2.0mA，其工作原理圖如圖3.14所示。圖3.14 LCD1602模塊原理圖其中414號引腳分別與單片機的P2.5P2.7和P0.0P0.7口連接，從而由單片機對其進行控制，引腳接口說明如表3.1所示。表3.1 LCD1602引腳接口說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源正極4 軟件設計系統(tǒng)程序設計中采用了流行的模塊編程方法，每一個功能程序模塊都能完成某一明確的任務，實現(xiàn)具體的某個功能，如液晶顯示，鍵盤等。實際的應用程序由一個主程序和多個子程序構成。4.1 主程序設計電子測試儀的主程序流程圖如4.1所示。開始上電延時1602初始化按鍵檢測延時按鍵彈起？開始檢測器件數(shù)據(jù)處理LCD1602顯示NY結束圖4.1 主程序流程圖系統(tǒng)對單片機上電之后，有一個短暫的延時以保證MCU正常工作，然后對1602液晶顯示屏初始化，一直等待被測器件的按鍵按下，如果確定有按鍵按下則跳到被測器件測試程序，否則一直等待按鍵。系統(tǒng)開始檢測器件，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，在液晶屏上顯示。4.2 二極管測試程序設計二極管測試流程說明，如圖4.2所示。對單片機上電之后，有一個短暫的延時以保證MCU正常工作，然后對1602液晶顯示屏初始化，一直等待測二極管的按鍵按下，如果確定有按鍵按下則跳到此二極管測試測試程序，否則一直等待按鍵。開始上電延時1602初始化二極管鍵是否按下？讀取T1位，清屏1602NYT1=0?YN顯示 P顯示 N結束圖4.2 二極管測試流程圖二極管的測試接口是P3.5端口，如果P3.5檢測到低電平，則二極管導通，說明二極管正向，如果單片機檢測到高電平，則二極管截止，說明二極管反向。4.3 741運放測試程序設計 741測試流程說明，如圖4.3所示。對單片機上電之后，有一個短暫的延時以保證MCU正常工作，然后對1602液晶顯示屏初始化，一直等待741的按鍵按下，如果確定有按鍵按下則跳到此741測試程序，否則一直等待按鍵。開始上電延時1602初始化741鍵是否按下？T1=1 T2=0NY顯示ua741 can useT3=0?YNT1=0 T2=1T3=1?Y顯示ua741 cant useN圖4.3 741測試流程圖741的測試接口是P3.6端口，當T1=1，T2=0時如果P3.6檢測到低電平，則再一次檢測，當T1=0，T2=1時，P3.6是否是高電平，如果是說明741是好的，否則說明741是壞的。UA741程序設計如下：while(key2)ua741_out_x=1;ua741_out_y=0;delay(200);if (ua741_in=0)ua741_out_x=0;ua741_out_y=1;delay(200);if ( ua741_in=1)display(ua741 can use);else display(ua741 cant use);else display(ua741 cant use);4.4 三極管測試程序設計三極管測試流程說明，如圖4.4所示。對單片機上電之后，有一個短暫的延時以保證MCU正常工作，然后對1602液晶顯示屏初始化，一直等待測三極管的按鍵按下，如果確定有按鍵按下則跳到此三極管的測試程序，否則一直等待按鍵。開始上電延時1602初始化三極管鍵是否按下？NQ1(C)=1?YNQ1(C)=1?Q1(B)=1?YYNNYPNP PNPNPN圖4.4 三極管測試流程圖三極管的測試接口是P3.4和P3.0端口，如果P3.4口檢測到高電平，再檢測P3.0口，如果P3.0是高電平，則三極管是NPN型，否則三極管是PNP型。如果三極管P3.4口檢測到低電平，再檢測P3.0口，如果P3.0是高電平，則三極管是PNP型，否則是NPN型。三極管測試程序如下：while(key3) NPN_PNP_OUT=1; delay(200); if (NPN_PNP_IN=1)NPN_PNP_OUT=0;delay(200);display(NPN);else NPN_PNP_OUT=0;delay(200);if ( NPN_PNP_IN=1)display(PNP ); delay5();4.5 555芯片測試程序設計 555芯片測試流程說明，如圖4.5所示。對單片機上電之后，有一個短暫的延時以保證MCU正常工作，然后對1602液晶顯示屏初始化，一直等待555的按鍵按下，如果確定有按鍵按下則跳到此555測試測試程序，否則一直等待按鍵。顯示555 cant use開始上電延時1602初始化555鍵是否按下？清零中斷、標志位中斷初始化，清屏1602GD-Flag=0NYGD-Flag=1顯示555 can useIE0=1?YN結束圖4.5 555芯片測試流程圖555芯片測試是利用555時基電路構成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路。其接口是P3.2端口，用于檢測外部中斷0的跳變，如果P3.2檢測到跳變，則外部中斷0的中斷標志位置位，若返回GD_Flag=1，說明555芯片是好的；否則GD_Flag=0，說明555芯片是壞的。4.6 電容測試程序設計電容測試程序的流程圖如圖4.6所示。對單片機上電之后，有一個短暫的延時以保證MCU正常工作，然后對1602液晶顯示屏初始化，一直等待電容的按鍵按下，如果確定有按鍵按下則跳到此電容測試程序，否則一直等待按鍵。開始上電延時1602初始化電容鍵是否按下？啟動555NY啟動計數(shù)器計算電容的大小值有無中斷?YN有無中斷？停止計數(shù)顯示電容值YN電容鍵是否按下？YN圖4.6 電容測試流程圖電容的測試接口是P3.2端口，利用555芯片和周邊電阻組合成一個無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，通過測量方波的頻率來計算所測量的電容的大小。5 調試與分析將編寫的C語言程序在KeiluVision2軟件上鏈接、編譯后，無誤，并給總電路圖中的單片機AT89C51加載程序進行仿真，得到仿真結果如下所示。（1）檢測器件為二極管時的仿真結果如圖5.1所示，其中（a）為二極管正向，（b）為二極管反向。 （a） （b）圖5.1 二極管的仿真調試（2）檢測器件為三極管時的仿真結果如圖5.2所示，其中（a）為NPN型，（b）為PNP型。 （a） （b）圖5.2 三極管測仿真調試（3）測試器件為555芯片時的仿真調試如圖5.3所示，（a）為芯片好的，（b）為芯片壞的。（a） （b）圖5.3 555的仿真調試（4）測試器件為運放741時的仿真調試如圖5.4所示，（a）為芯片好的，（b）為芯片壞的。（a） （b） 圖5.4 運放741的仿真調試（5）測試器件為電容時的仿真調試如圖5.5所示，（a）為100nF電容，（b）為500nF電容。（a） （b）圖5.5 電容的仿真調試各器件測試結果如下： 電容測試數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1 電容測試數(shù)據(jù)標稱值(nF)系統(tǒng)測量(nF)相對誤差%100991.025004966.510009433.65500047163.62555和運放741測試情況如表5.2所示。表5.2 555和運放741測試結果被測器件器件本身好壞測量方式顯示結果555芯片好芯片連接正確555 can use芯片連接錯誤555 cant useUa741運放好芯片連接正確Ua741 can use芯片連接錯誤 Ua741 cant use二極管和三極管測試情況如表5.3所示。 表5.3 二極管和三極管測試結果被測器件測量方式顯示結果二極管正向連接P反向連接N三極管接入NPN型NPN接入PNP型PNP（6）測試分析：在測試電容的時候出現(xiàn)了一些誤差，可能的原因是硬件電路設計與軟件設計的不匹配，也可能是由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成，所以由振蕩電路產生的被測參數(shù)對應的頻率有一定的誤差這些因素都對測試值有一定的影響，都會導致測量結果會或多或少地偏離被測量的真值。因此為了減小本設計中誤差的大小，可以通過多次實驗測量，來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差。結束語畢業(yè)論文是一次非常好的將理論與實際相結合的機會，通過對電子元器件測試儀的課題設計，鍛煉了我的實際動手能力，增強了我解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。 電子器件測試儀的設計基本符合設計要求，能完成二極管，三極管，UA741，555芯片的功能測試，就電容測試模塊需要進一步改進。作品實測中，測量電容值有一定的誤差，而且C值越大時誤差越大，該誤差則是來源于振蕩電路產生的頻率和單片機程序上的誤差。希望在之后的設計之中能夠得到進一步解決。在本課題過程中，我遇到很多問題，如主控模塊控制芯片的選擇，測試模塊方案的對比研究。雖然這個過程十分繁雜，不過它又進一步鞏固了我的專業(yè)知識，培養(yǎng)了一種良好的設計心態(tài)。在軟件調試過程中，反復出現(xiàn)了硬件電路設計與軟件設計的不匹配，于是我對原電路進行局部修改。雖然最終取得成功，但它給我很多啟迪，在設計前期應保證硬件與軟件的匹配，這樣可節(jié)省很多時間。本課題本著原理簡單，成本低的特點將為廣大師生在平時的電子設計中帶來便利。當然它的功能有限，與很多國內外先進的測量儀器不能相提并論，但它卻讓我向電子王國又近了一步。隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，我相信測量儀器的功能也會越來越強大，成本也會越來越低，我期待那一天的到來。致 謝時光匆匆飛逝，二年的努力與付出，隨著論文的完成，終于讓我在大學的生活得以劃下完美的句點。畢業(yè)設計，也是我大學生涯交上的最后一個作業(yè)了。從開始選擇設計課題、分析課題、方案構思、論證方案、程序設計、仿真調試、再到書寫論文的完成，每一步對我來說都是一種新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學期間獨立完成的最大的產品設計過程。在這段時間里，自己切實按照產品設計的程序認真的完成各個步驟，運用了在大學中所有學到的知識，每一次的改進都是我學習的收獲，在改進的同時進一步深化了對專業(yè)知識的理解。 畢業(yè)設計和論文得以完成，要感謝的人實在太多了，首先要感謝張文青老師，畢業(yè)設計和論文是在張老師的悉心指導下完成的。對我的畢業(yè)設計給以很大的幫助，在此向張老師表示感謝。畢業(yè)設計和論文的順利完成，也離不開其它各位老師、同學和朋友的關心和幫助。另外，要感謝在大學期間所有傳授我知識的老師，是你們的悉心教導使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是畢業(yè)設計和論文得以完成的基礎。在論文的寫作過程中也學到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學問要一絲不茍，做事情要有耐心和毅力。 總之，此次論文的寫作過程，我收獲了很多。此次論文的完成既為大學生活劃上了一個完美的句號，也為將來的人生之路做好了一個很好的鋪墊。參 考 文 獻1 李建忠. 單片機原理及應用（第二版）M. 西安電子科技大學出版社，2008.2 周立功. 單片機實驗與實踐教程（三）M. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.3 江世明. 基于Proteus的單片機應用技術M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2009.4 何立民. 單片機高級教程（應用與設計）M. 北京：北京航空航天大學出版社，2000.5 周明德. 單片機原理與技術M. 北京：人民郵電出版社，2008.6 張永瑞. 電子測量技術基礎M. 西安：西安電子科技大學出版社，2009.7 鄒久朋. 80C51單片機實用技術M. 北京：北京航空航天大學出版社， 2008.8 張靖武. 單片機系統(tǒng)的Proteus設計與仿真M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2007.9 周瀾景. 基于Proteus的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真M. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.10 潘永雄. 新編單片機原理與應用M. 西安：西安電子科技大學出版社， 2003.11 趙星寒. 從零開始教你用單片機M. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.12 周瀾景. 基于Proteus的ARM虛擬開發(fā)技術M. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.13 林志琦. 基于Proteus的單片機可視化軟硬件仿真M. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.14 陳富安. 單片機與可編程控制器應用技術M. 電子工業(yè)出版，2006.15 徐愛鈞. 單片機原理實用教程-基于Proteus 虛擬仿真M. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.附錄A 整體電路圖附錄B 程序清單#include/包含單片機寄存器的頭文件#include/包含_nop_()函數(shù)定義的頭文件sbit RS=P20;/寄存器選擇位，將RS位定義為P2.0引腳sbit RW=P21;/讀寫選擇位，將RW位定義為P2.1引腳sbit E=P22;/使能信號位，將E位定義為P2.2引腳sbit BF=P07;/忙碌標志位，將BF位定義為P0.7引腳sbit key1=P17;sbit key2=P16;sbit key3=P15;sbit key4=P14;sbit key5=P13;#include #include #include sbit ua741_out_x=P37;sbit ua741_out_y=P31;sbit ua741_in=P36;sbit Diode_or3 =P35;sbit NPN_PNP_OUT=P34;sbit NPN_PNP_IN=P30; int nCounter=0; int flag=0;unsigned long ne555_cnt=0;unsigned long cap_cnt=0; int count=0;unsigned char str =cap NF; unsigned char code string =test