基于51单片机的电子器件测试仪的设计

本科毕业设计说明书（论文）第1页共41页1绪论随着现代科学技术的迅猛发展，电子技术在航空航天、工业、农业、交通运输等国民经济诸多领域中得到了广泛的应用，而电子测量又是电子技术信息检测的重要手段，在现代高科技应用技术中起着非常重要的作用。伴随着工业生产的发展，对测量提出了更高的要求。快速、实时、精确、自动的测量已经发展成为现代测量技术的主流。20世纪是基于大规模集成电路发展的重要时期，它同时也促进了电子测量仪器技术的革命。由于大规模集成电路的大量应用，使得现代电子测量仪器体积更小、功能更全面、可靠性更高、功耗更低。1.1课题背景及意义近年来，计算技术和微电子技术的迅猛发展为电子测量和测量仪器增添了巨大活力。电子计算机尤其是微型电子计算机与电子测量仪器相结合，构成了一代崭新的仪器和测试系统，即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统”，它不仅改变了若干传统测量的概念，更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大的推动作用。1.1.1电子测量技术的应用在电子系统设计中，电子器件及它们的有机连接构成了具有各种功能的电子电路。如何顺利地完成从电路图到一个成型并运转正常的电子系统，需要很大的技术。无论是电路图设计中有任何纰漏或焊接时有任何差错，都有可能导致电子系统最终无法正常工作。有时费尽心机设计了一个完美无瑕的系统电路，并且费尽力气正确地焊接了所有元器件，一运行时系统还是会出现不工作或者与设计不同的运行效果。如果排除设计和焊接的失误，出现不正常的原因恐怕就是某个或多个电子元器件本身存在质量问题，致使系统中某些模块状态异常。到时除了后悔当时没有仔细检查器件质量就盲目焊接，恐怕也没什么可抱怨的。各种各样的器件如电阻、电容、集成电路等都是由工厂生产的，虽然工厂努力把器件的出厂合格率做到100%，但是其中具有一些瑕疵还是不可避免的，这有可能是出厂检测的疏漏，也有可能是在运输、储存器件时因内、外部环境改变而使器件的质量发生变化。总之，我们从任何地方采购的器件谁也不能保证它们是100%合格的。所以，在焊接元器件之前有必要对它们进行一次全面的“体检”，这对最终系统的正确性、稳定性、可靠性都具有很大的意义。除了可以使用万用表对电阻、电容、二极本科毕业设计说明书（论文）第2页共41页管等器件进行检测外，还需要经常用到集成电路测试仪，也称IC测试仪。根据IC测试仪的型号不同，可以测量的芯片也不同，其中包括定时器、运算放大器、比较器、稳压器、二极管、光耦、驱动器和通信IC等。有了这样一台IC测试仪，就像有了一个“听诊器”，可以在焊装芯片等器件之前对其进行“体检”，把故障排除在萌芽阶段。近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。在国外，为适应高可靠电子元器件发展对质量控制标准的要求，美国通过对GJB548“微电子器件试验方法和程序”顶层结构的剖析和典型具体细微内容的研究，提高了军用电子元器件质量检测能力。目前全球针对电子测量的仪器种类繁多，功能也相当齐全。其中包括最先进的静电测试仪，直流电阻测试仪，数字式接地电阻测试仪。就拿Tencor公司仪器部生产的Sonogagept_2型无接触测试仪为例，它可以为硅片检测提供简易准确、无接触的测试手段。该测试仪与众不同，它能在同一点位置上同时测试出整片硅片的厚度、电阻率、晶片电阻及掺杂型号，而不接触硅片的抛光表面。具有速度快、精度高、无沾污及较高的稳定性等特点。虽然现在电子测试仪种类繁多，功能也越来越齐全，但目前还没出现一种测试仪能检测日常生活中所用到的所有电子元件。所以在这一方面，还有待人类的进一步研究。本文设计的电子器件测试仪主要的服务群体是学生。在学生平时的电子系统设计中也需要检测各种常用元器件的功能好坏，但市面上的检测仪不仅价格昂贵，且功能单一，让许多电子设计爱好者望文却步。同时，本文设计的电子器件测试仪还可以应用在日常教学实验中，其设计原理简单，操作也十分快捷。由于学生对单片机的熟悉程度和运用能力相对较高，所以本文设计是以单片机为核心的电子器件测试仪。在设计中，各个模块的设计也是基于原理简单、元器件性价比高的原则。尽管本设计全方位考虑其功能实现和产品的完美，但肯定还有不足，这本科毕业设计说明书（论文）第3页共41页需要以后进行更深一步的探讨和研究。1.1.2单片机系统单片机就是微控制器，它是嵌入式系统中重要且发展迅速的组成部分。单片机接上振荡元件（或振荡源）、复位电路和接口电路，载入软件后，可以构成单片机应用系统。将它嵌入到形形色色的应用系统中，它就成为众多产品、设备的智能化核心。随着单片机运行速度的提高和片内资源的增加，系统中必要的硬件配置已经可以大大减少，某些硬件的功能也可以有软件来实现。与此同时，低成本、高性能的硬件元器件也在不断地发展和出新，这为嵌入式系统的设计提供了更多的选择。某些功能到底是由硬件完成，还是由软件实现，要根据系统要求、性价比、可靠性和开发周期等多种因素综合考虑。单片机的出现是计算机发展史上的一个很重要的里程碑，是智能化的核心。单片机使计算机从海量数值计算进入到智能化控制领域。1.1.3单片机系统的PROTEUS设计与仿真PROTEUS是英国LabcenterElectronics公司研发的EDA工具软件。它是目前世界上最完整的多种型号单片机（微控制器）系统的设计与仿真平台。它实现了在计算机上完成从原理图设计与电路设计、单片机代码级调试与仿真、电路分析与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的电子设计、研发过程。PROTEUS从1898年问世至今，经过了近20年的使用、发展和完善，功能越来越强。PROTEUS不仅可将单片机实例功能形象化，而且可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在很大程度上能得到实物演示实验的效果，后者却是实物演示实验难以达到的效果。但它的元器件、连接线路等却和普通的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上能替代传统的单片机实验教学的功能。课程设计、毕业设计是学生走向就业过程中重要的实践环节。由于PROTEUS能提供实验室无法相比的大量的元器件库，并且提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量和质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也为学生提供了培养实践精神、创造精神的平台。随着科学技术的发展，“计算机仿真技术”已经成为许多电子设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果和过程的统一的特点。可以缩短设计时间、减少资金投入，同时也可降低工程制造的风险。相信在将来单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。本科毕业设计说明书（论文）第4页共41页使用Proteus软件进行单片机系统的仿真设计，是把虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，这样可以培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在完全不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，与单纯学习书本知识相比单片机的学习更容易接受，更容易提高。实践证明，先使用Proteus进行系统仿真等开发成功之后再进行实际制作，可以极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus具有较高的推广利用价值。本科毕业设计说明书（论文）第5页共41页2总体方案论证根据题目要求，此电子器件测试仪由下列模块组成：主控电路模块、按键选择模块、液晶显示模块、555测试模块、运放741测试模块、电容测试模块、二、三极管测试模块，具体论证与设计方案如下。2.1系统方案本设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用AT89C51系列的单片机为核心来实现555芯片、电容、二极管、三极管、741运放测试模块的控制。显示模块拟采用LCD1602来显示检测结果。测试仪总体设计框图如图2.1所示。图2.1测试仪总体设计框图2.2设计方案论证2.2.1主控模块设计方案与论证（1）方案一：以51单片机为控制核心，电路测试的信号经单片机处理后将处理的结果在液晶屏上显示出来。它具有价格便宜，软件处理简单方便的优点，在性价比和时间上占很大优势，特别是STC89LE58RD+等单片机相对功耗较低，有利于减小系统功耗。缺点是51系列单片程序处理时间相对较长，供电电压相对较高。（2）方案二：以ARM7嵌入式电路板作为控制核心；内嵌UC/OS-Ⅱ操作系统，电路测试的信号经过单片机处理后将处理结果在液晶屏上显示出来。其优点是缩短了数据处理的时间，并且其单片机适合节点给定电压，不需要升压，减少了一定的外围电路，但是其价格较贵，在软件处理方面较复杂，在性价比和时间上有一定的差距。（3）方案三：以MSP430等新型单片机为控制核心。MSP430系列单片机可以设键盘控制模块LCD1602显示模块主控制器AT89C51单片机二、三极管测试模块555测试模块运放741模块电容测试模块本科毕业设计说明书（论文）第6页共41页置其工作在低功耗模式下，功耗低于C8051系列的一个数量级以上，拥有业界最低功耗，很适合电池组低压供电的。其缺点是对于开发环境不熟悉，需要较长的开发周期。通过比较，从多方面因素考虑，我选择了方案一，采用51单片机。2.2.2555测试模块与741测试模块设计方案与论证（1）方案一：555芯片与741运放综合测试模块。用两个小8脚双列直插IC座，如图2.2连接。555接成无稳态多谐振荡器的振荡频率为1)221/(44.1CRRf，图示参数的振荡频率约为1HZ，若555为好的，则发光二极管lED1将周期地闪亮；否则，为坏的。741的接法由开关K2控制。转换开关K2用于控制555振荡信号加至741的同相端或反相端，前者使LED2的闪光与LED1同步，后者作为反相器时，LED2与LED1交替闪烁。图2.2555与741检测电路（2）方案二：555芯片与741运放独立测试模块。555测试模块是用555时基电路构成无稳态多谐振荡器，单片机通过检测其输出电压的高低来判断555输出波形是否为方波，若为方波则芯片是好的，反之芯片就是坏的。741测试模块是利用插入的运放741与外围的电阻构成一个比较器，单片机通过检测比较器的输出就可以判断运放的质量。综上所述，虽然方案一与方案二整体的设计思路相差不大，但方案二更能充分利用芯片资源，且显示更加直观，所以我选择方案二。2.2.3二极管和三极管测试模块设计方案与论证（1）方案一：二极管的测试采用正弦半波法。其电路如图2.3所示，触发晶闸管T，调整电流源G，使通过二级管D的正向峰值电压为给出的规定值。脉冲持续时间Tp、正相电流变化率—dif/dt和C1两端的电压V1应与规定条件一致，即可判断二极本科毕业设计说明书（论文）第7页共41页管是否导通。三极管的测试则采用IC17414的施密特6非门集成电路。电路如2.4图所示，测试时通过变色发光二极管LED1和LED2的组合发光颜色不同来实现判别。该集成电路内的非门均具有电压回滞特性，利用这个特性及外围电路构成振荡器可对三极管进行测试。但这种方法比较复杂，且不能充分利用芯片资源。图2.3正弦半波法测试二极管电路图（2）方案二：采用51单片机端口检测。二极管的正极与51单片机的P3.5端口连接，通过判断二极管是否导通就可检测出二极管的正反向性。三极管的基极和51单片机的P3.4端口连接，根据电压的高低就可检测出三极管的管型。此方法操作简单快捷，符合本设计的要求。鉴于以上分析，我选择方案二。2.2.4电容测试模块设计方案与论证（1）方案一：利用多谐振荡原理如图2.1所示。电容C电阻R和555芯片构成一个多谐振荡电路。在电源刚接通时，电容C上的电压为零，多谐振荡器输出V0为高电平