【正文】 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁 共 41 頁 1 緒論 隨著現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)、交通運輸等國民經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。快速、實時、精確、自動的測量已經發(fā)展 成 為 現代測量技術的主流。 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。 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。 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 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 41 頁 管等器件進行檢測外，還 需要 經常用到集成電路測試儀，也稱 IC 測試儀。根據 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和產品的完美，但肯定還有不足，這 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁 共 41 頁 需要以后進行更深一步的探討和研究。 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可以大大減少，某些硬件的功能也可以有軟件來實現。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，要根據系統(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值計算進入到智能化控制領域。 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 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?縮短 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。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 41 頁 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。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 共 41 頁 2 總體方案 論證 根據題目要求，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。 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 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 所示。 圖 測試儀總體設計框圖 設計方案論證 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/OSⅡ操作系統(tǒng)，電路 測試的信號經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 縮短了數據處理 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 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁 共 41 頁 置其工作在低功耗 模式下，功耗低于 C8051 系列的一個數量級以上，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。 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 連接。 555 接成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的振蕩頻率為 1)221/( CRRf ?? ，圖示參數的振蕩頻率約為 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 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。 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 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/