【正文】 dt 和 C1 兩端的電壓 V1 應與規(guī)定條件一致，即可判斷二極 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 7 頁 共 41 頁 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 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(nèi)的非門均具有電壓回滯特性，利用這個特性及外圍電路構(gòu)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 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 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 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(shè)計的要求。 鑒于以上分析，我選擇方案二。 電容測試模塊設(shè)計方案與論證 （ 1） 方案一：利用多諧振蕩原理如圖 所示。電容 C 電阻 R 和 555 芯片構(gòu)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(zhuǎn)，V0 變?yōu)榈碗娖剑?C 又通過 R 放電， Vc 下降。當 Vc=Vr 時施密特觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)，輸出Vc 又變?yōu)楦唠娖?，如粗往復產(chǎn)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(guān)電路的充放電時間來確定電容值。一般情況下，可設(shè)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(guān) ） 。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(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)相對復雜，實 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 8 頁 共 41 頁 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(shè)計中會碰到很大的問題，而且硬件一旦設(shè)計好，可變性不大。 （ 3） 方 案三： 基于 AT89C51 單片機和 555 芯片構(gòu)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(guān)系 如式 所示。 ? ?CRf ?? 式 （ ） 當 我們固定 R 的大小，其公式 變化 為 式 。 CKf ? 式 （ ） 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。 顯示模塊設(shè)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。考慮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(jié)構(gòu)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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 9 頁 共 41 頁 3 硬件電路設(shè)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。 主控模塊設(shè)計 在本課題中，由于單片機構(gòu)成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)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(shè)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(shè)計具有極大的必要性。在硬件設(shè)計中， 本設(shè)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 0Hz~24MHz，內(nèi)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(shè)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(nèi)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 ~ 為液晶顯示接口。 P1 口： P1 口是一個 8 位雙向 I/O 口 可以內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部上拉的優(yōu)勢，對外部 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 10 頁 共 41 頁 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(nèi)容。 ~是接測試模塊按鍵選擇開關(guān)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個 雙向 I/O 口 具有內(nèi)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(nèi)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。 接電容測試模塊， 接 555 測試模塊， 與 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 所示 。 圖 單片機 工作原理圖 復位電路與上拉電阻設(shè)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(nèi)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 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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 11 頁 共 41 頁 圖 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 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 10K? 8 的排阻接到電源上，如圖 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(qū)動能力。 圖 上拉電 阻電路原理圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 12 頁 共 41 頁 二極管測試模塊設(shè)計 二極管檢測是利用二極管的正極與單片機的 端口連接，負極接地，如圖 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 二極管測試原理圖 三極管測試模塊設(shè)計 三極管檢測是利用三極管的基極與單片機的 端口連接，集電極接 +5V電源，發(fā)射極 接地，如圖 所示。當 1)(1 ?BQ 時，若 )(1CQ 處電壓為 0，則 VBVE， Q1導通，所以 Q1 為 NPN 管。若 )(1CQ 處的電壓為 5V，則 VC=VB， Q1 截止，所以 Q1為 PNP 管。當 0)(1 ?BQ 時，若 )(1CQ 處電壓為 5V，則 VB=VE， Q1 截止，所以 Q1為 NPN 管。若 )(1CQ 處電壓為 0，則 VCVB， Q1 導通，所以 Q1 為 PNP 管。 圖 三極管測試原理圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 13 頁 共 41 頁 電容測試模塊設(shè)計 本設(shè)計選擇基于 AT89C51 單片機和 555 芯片構(gòu)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 所示。 圖 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(guān)系 如式 （ ） 所示。 CRf ?? 式（ ） 又因為 1Tf?，所以 式 （ ） 可以轉(zhuǎn)化為式 （ ） 和式 （ ） 。 *? 式（ ） *CT R? 式（ ） 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 1μS ， 因此 采 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 14 頁 共 41 頁 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 1N ，第二次中斷到來 時 停止 T0，計數(shù)器器的值為2N ，則測量方波的周期為 式 （ ） ，令開始時刻計數(shù)器的值 1 0N? ，則 公式可變?yōu)槭剑?） 。 21( ) *1T N N us?? 式 （ ） 6*10TN?? 式 （ ） 簡單時序圖 如圖 所示。 圖 簡單時序圖 則電容的計算公式如 式 （ ） 所示。 ???? 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