基于51單片機(jī)的放大和整流組件試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)

馮川

（凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430030）

基于51單片機(jī)的放大和整流組件試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)

馮川

（凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430030）

提出了一種基于51單片機(jī)平臺(tái)開發(fā)的某型主力運(yùn)輸機(jī)放大和整流組件試驗(yàn)器設(shè)計(jì)方案。通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)調(diào)試驗(yàn)證，結(jié)果表明該試驗(yàn)器能完成對(duì)放大和整流組件的所有性能的測(cè)試，有方便、快捷等特點(diǎn)，提高了設(shè)備的檢測(cè)效率。

自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備;51單片機(jī);數(shù)字電位器;電量傳感器

隨著機(jī)載設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，檢測(cè)設(shè)備也在不斷地改進(jìn)，越來(lái)越多的檢測(cè)設(shè)備采用自動(dòng)化檢測(cè)方式。自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備既可以提高設(shè)備的檢測(cè)效率，也可以降低由于檢測(cè)人員誤操作而帶來(lái)的不必要的測(cè)試錯(cuò)誤，具有廣大的發(fā)展空間。

文章設(shè)計(jì)了某型主力運(yùn)輸機(jī)放大和整流組件試驗(yàn)器，該試驗(yàn)器用繼電器控制電路及閉鎖繼電器代替機(jī)械開關(guān)，用數(shù)字電位器代替機(jī)械電位計(jì)，電壓電流等模擬量均通過(guò)電量傳感器轉(zhuǎn)換后，由ADC采集經(jīng)解碼顯示于LCD液晶屏上。該試驗(yàn)器將所有放大和整流組件測(cè)試步驟模塊化，操作者在點(diǎn)擊測(cè)試按鍵選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目后，試驗(yàn)器將由程序控制完成測(cè)試步驟，操作者只需觀察測(cè)試現(xiàn)象填寫測(cè)試報(bào)告，很好地實(shí)現(xiàn)了放大和整流組件實(shí)驗(yàn)器的自動(dòng)化測(cè)試。

1 放大和整流組件試驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)和原理

該試驗(yàn)器主要由數(shù)字電位計(jì)調(diào)節(jié)電壓模擬控制通道Ⅰ和Ⅱ、支撐通道Ⅰ和Ⅱ、比較通道Ⅰ和Ⅱ襟翼收起﹑放下時(shí)的位置輸出信號(hào)，通過(guò)指示燈的點(diǎn)亮/熄滅檢查和測(cè)量各通道電壓值來(lái)檢測(cè)通道的調(diào)整是否正確。

放大和整流組件試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 放大和整流組件試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備以51單片機(jī)為核心，分為控制單元和測(cè)量單元兩部分?？刂茊卧饕?1單片機(jī)、控制按鈕、繼電器控制電路、電源電路和數(shù)字電位器組成。測(cè)試時(shí)操作人員通過(guò)測(cè)試按鈕選擇測(cè)試項(xiàng)目，單片機(jī)接收到觸發(fā)信號(hào)后運(yùn)行程序控制開關(guān)電路和數(shù)字電位器，數(shù)字電位器通過(guò)調(diào)節(jié)電壓模擬襟翼放下、收起時(shí)的信號(hào)。測(cè)量單元主要由51單片機(jī)、電量傳感器、ADC0809和LCD液晶屏組成。、傳感器采集電壓、電流等模擬信號(hào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)讀取數(shù)值，并顯示在LCD液晶屏上，具體如圖2所示。

圖2 放大和整流組件試驗(yàn)器原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路分為控制單元和測(cè)量單元兩部分?？刂茊卧?fù)責(zé)整個(gè)電路繼電器的控制，數(shù)字電位器的動(dòng)作及采集產(chǎn)品返回信號(hào)后的轉(zhuǎn)換。測(cè)量單元負(fù)責(zé)所有模擬量的時(shí)時(shí)采集，并將采集到的模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機(jī)解碼于LCD液晶屏上顯示。

2．1 控制單元

控制單元主要完成對(duì)試驗(yàn)器的開關(guān)量及模擬量的控制和返回信號(hào)的監(jiān)控，其原理框圖如圖3所示。

圖3 控制單元原理框圖

測(cè)試時(shí)操作人員通過(guò)測(cè)試按鈕選擇測(cè)試項(xiàng)目，單片機(jī)接收到觸發(fā)信號(hào)后運(yùn)行程序，程序控制開關(guān)控制電路的繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的轉(zhuǎn)換并發(fā)送串行數(shù)據(jù)到數(shù)字電位器，數(shù)字電位器接受到指令后實(shí)現(xiàn)電阻值的變化，以此來(lái)改變電壓值，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品內(nèi)部繼電器的作用。當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部繼電器工作，相應(yīng)的面板信號(hào)燈燃亮，51單片機(jī)掃描到信號(hào)燈信號(hào)后停止程序。操作人員通過(guò)核實(shí)技術(shù)條件后判斷電路是否故障，檢查產(chǎn)品無(wú)故障后選擇其他測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。

2.1.1 數(shù)字電位器

數(shù)控可編程電阻器DS1867具有阻值可調(diào)、精度高、穩(wěn)定性好、與微處理器接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在控制、儀表等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該類數(shù)字電位器與外界的數(shù)據(jù)交換采用SPI接口。在本設(shè)計(jì)中，所使用的51系列單片機(jī)由于沒(méi)有SPI接口，故主要通過(guò)軟件編程的方式，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS1867的數(shù)據(jù)交換，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)使系統(tǒng)的整體成本大大地降低。DS1867內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字電位器，每個(gè)電位器在整個(gè)電阻值范圍內(nèi)有256個(gè)均勻滑臂分支點(diǎn)，在8位數(shù)字信號(hào)控制下，電位器具有自動(dòng)改變滑動(dòng)端與固定端之間阻值的功能，因此，數(shù)字電位器又稱為數(shù)控可編程電阻器。兩個(gè)8位電阻設(shè)定值在掉電后可由芯片內(nèi)集成的E2PROM自動(dòng)保存。微處理機(jī)與DS1867的通信、控制僅用一個(gè)3線串行口來(lái)完成。

圖4 DS1867內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

由圖4可知，該數(shù)字電位器由電阻陣列、電子開關(guān)陣列、譯碼器、移位寄存器和控制電路等組成。電阻陣列由255個(gè)相同的電阻單元串聯(lián)在固定端H和L之間，形成256個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都接有一個(gè)電子開關(guān)，256個(gè)電子開關(guān)的另一端連在一起作為公共端構(gòu)成了滑動(dòng)臂W。8位電阻設(shè)定值經(jīng)8/ 256譯碼器后就接通了電阻陣列中相應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電子開關(guān)（其余均斷開），由此將該節(jié)點(diǎn)接到W端上，相當(dāng)于滑動(dòng)端W作了一次移動(dòng)，L與W點(diǎn)之間電阻值RWL相應(yīng)地發(fā)生了改變。RWL由下式計(jì)算：

式（1）中RW為滑臂電阻，即電子開關(guān)的導(dǎo)通電阻，通常RW≤100Ω，典型值為40Ω;R為電阻陣列中每個(gè)電阻單元的阻值;D即輸入的數(shù)字量。圖4中，H0、H1為兩電位器高端;L0、L1為兩電位器低端;W0、W1為兩電位器滑動(dòng)臂引出端;/RST為串行口復(fù)位輸入端;CLK為串行口時(shí)鐘輸入端; DQ為串行口數(shù)據(jù)輸入端;SOUT為兩電位器滑臂選通輸出端;COUT為級(jí)聯(lián)端。圖4中的17位I/ O移位寄存器用于存放滑臂選通位及兩電位器的電阻設(shè)定值，其使用分配情況如圖5所示。移位寄存器附加有一個(gè)E2PROM映象寄存器，用于掉電時(shí)保存設(shè)定值，上電后則自動(dòng)將掉電前所記憶的數(shù)據(jù)送回移位寄存器。E2PROM可擦寫10萬(wàn)次以上，采用這種寫入方式使得器件更能長(zhǎng)期可靠地工作。

圖5 17位I/O移位寄存器

串行數(shù)據(jù)通信是DQ、CLK和/RST按照時(shí)序配合完成的，起始時(shí)刻/RST跳變到高電平，并且在一個(gè)編程周期內(nèi)保持，DQ在CLK的高電平脈沖時(shí)刻將數(shù)據(jù)位寫入，DQ數(shù)據(jù)需要在CLK高電平建立已經(jīng)保持了一定時(shí)間。編程時(shí)序如圖6、7、8所示。

圖6 總時(shí)序圖

圖7 起始處時(shí)序圖

圖8 結(jié)束處時(shí)序圖

2.1.2 開關(guān)控制電路

開關(guān)控制電路由51單片機(jī)通過(guò)譯碼電路控制后端閉鎖繼電器完成。由于試驗(yàn)器有大量開關(guān)量信號(hào)，并且此開關(guān)量信號(hào)要求長(zhǎng)時(shí)間保持以達(dá)到機(jī)械式開關(guān)的作用。譯碼電路后接普通繼電器只能完成瞬時(shí)開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換，不能達(dá)到機(jī)械開關(guān)的效果。若單片機(jī)直接控制普通繼電器則可以達(dá)到機(jī)械開關(guān)的效果，但因有大量開關(guān)量信號(hào)，而單片機(jī)沒(méi)有足夠的I/O口，因此采用單片機(jī)控制4－16譯碼器，譯碼器經(jīng)光耦隔離和2803增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力后控制閉鎖繼電器的控制端。控制電路見圖9。

圖9 繼電器控制電路

2.1.3 矩陣鍵盤電路

16個(gè)測(cè)試按鍵組成4﹡4矩陣電路，矩陣電路通過(guò)MM74C922矩陣鍵盤編碼器與單片機(jī)進(jìn)行連接。工作時(shí)，當(dāng)任意按鍵被按下，矩陣電路X﹑Y各有一路導(dǎo)通，MM74C922掃描到輸入信號(hào)后進(jìn)行編碼，發(fā)送給單片機(jī)，同時(shí)數(shù)據(jù)使能端變成高電平，表示數(shù)據(jù)可用。單片機(jī)接收到信號(hào)后根據(jù)編碼選擇相應(yīng)的程序執(zhí)行。

圖10 矩陣鍵盤電路

2．2 測(cè)量單元

測(cè)量單元主要完成對(duì)試驗(yàn)器供電電壓、消耗電流進(jìn)行采集并在LCD中顯示，其原理框圖見圖11。

圖11 測(cè)量單元原理框圖

電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電量傳感器轉(zhuǎn)換成0－5V的線性電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把0－5V的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換8位數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)接收8位數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果顯示在LCD液晶屏上。

ADC0809八位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器和與微處理器兼容的控制邏輯，可對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和轉(zhuǎn)換，最大不可調(diào)誤差小于±1LSB，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間均為100μs。ADC0809沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘電路，因此必須外接時(shí)鐘。

工作時(shí)，單片機(jī)通過(guò)P口向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送模擬通道的地址編碼信號(hào)，并通過(guò)地址線和寫控制線WR控制地址編碼信號(hào)的鎖存選通相應(yīng)的模擬輸入通道，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)EOC斷發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志信號(hào)，經(jīng)反相后送入單片機(jī)的INT0端，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)此中斷請(qǐng)求時(shí)，單片機(jī)通過(guò)I/O口和讀控制線RD使A/D轉(zhuǎn)換器的OE端為高電平，從而控制轉(zhuǎn)換器的三臺(tái)數(shù)據(jù)輸出鎖存器通過(guò)P口向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)化結(jié)果數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 軟件功能

本設(shè)計(jì)的軟件采用C51匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫，主要實(shí)現(xiàn)放大和整流組件試驗(yàn)器的自動(dòng)測(cè)試。

3．2 控制單元程序

當(dāng)檢測(cè)到測(cè)試按鍵發(fā)出的信號(hào)后，選擇相應(yīng)的測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行執(zhí)行。程序?qū)⒖刂圃O(shè)備內(nèi)的繼電器進(jìn)行開關(guān)量的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)串行數(shù)據(jù)向數(shù)字電位器發(fā)出指令，使數(shù)字電位器模擬控制通道Ⅰ和Ⅱ、支撐通道Ⅰ和Ⅱ、比較通道Ⅰ和Ⅱ襟翼收起﹑放下時(shí)的位置輸出信號(hào)。當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部繼電器工作時(shí)，單片機(jī)掃描到響應(yīng)的返回信號(hào)后停止運(yùn)動(dòng)，待操作者觀察完現(xiàn)象填寫測(cè)試報(bào)告后進(jìn)行下一步測(cè)試?？刂茊卧黧w程序和測(cè)試分步程序流程圖分別見圖12、13。

圖12 控制單元主體程序流程圖

圖13 測(cè)試分步程序流程圖

3．3 測(cè)試單元程序

測(cè)試單元程序采用中斷方式對(duì)ADC0809的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的8位數(shù)字量經(jīng)程序處理，并將處理結(jié)果顯示在LCD液晶屏上。

中斷方式的編程思路：①打開相關(guān)的中斷設(shè)置。②向ADC0809寫入通道號(hào)并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。③等待A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷申請(qǐng)。④響應(yīng)中斷申請(qǐng)，從ADC0809讀取采集到的數(shù)據(jù)并存入內(nèi)存單元。流程圖見圖14。

圖14 測(cè)量單元軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的放大和整流組件試驗(yàn)器，經(jīng)過(guò)調(diào)試驗(yàn)證，該試驗(yàn)器能完成對(duì)放大和整流組件的所有性能的測(cè)試，并將測(cè)試步驟固定模塊化，方便了操作者的測(cè)試，并大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了設(shè)備的檢測(cè)效率。

［1］華成英，童詩(shī)白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［2］閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［3］李廣弟．單片機(jī)基礎(chǔ)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．

［4］宋家友．集成電子線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．福建：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2002．

［5］張晨．8051單片機(jī)［M］．北京：人民郵電出版社，2007．

［編校：鄧桂萍］

Design of Amp lifying and Rectifying Com ponent Tester Based on 51 Single－Chip Microcomputer

FENG Chuan
（Lingyun Science＆Technology Group Co．，LTD，Wuhan Hubei 430030）

This paper introduces the amplifying and rectifying component tester of a certain type of militarymain force transport plane based on the development of 51 single－chip microcomputer platform，especially focusing on the application of tester structure，work principle and the automatic detection method of digital potentiometer，power sensors，AD conversion，etc．

automated test equipment;51 single－chip microcomputer;digital potentiometer;power sensor;AD conversion

V241．06

A

1671－9654（2011）04－059－06

2011－11－01

馮川（1983－），男，湖北武漢人，工程師，在職研究生，研究方向?yàn)橹悄軠y(cè)試技術(shù)。