基于51單片機的放大和整流組件試驗器的設計

馮川

（凌云科技集團有限責任公司，湖北武漢 430030）

基于51單片機的放大和整流組件試驗器的設計

馮川

（凌云科技集團有限責任公司，湖北武漢 430030）

提出了一種基于51單片機平臺開發的某型主力運輸機放大和整流組件試驗器設計方案。通過硬件設計和軟件設計，并經過調試驗證，結果表明該試驗器能完成對放大和整流組件的所有性能的測試，有方便、快捷等特點，提高了設備的檢測效率。

自動化檢測設備;51單片機;數字電位器;電量傳感器

隨著機載設備的不斷更新換代，檢測設備也在不斷地改進，越來越多的檢測設備采用自動化檢測方式。自動化檢測設備既可以提高設備的檢測效率，也可以降低由于檢測人員誤操作而帶來的不必要的測試錯誤，具有廣大的發展空間。

文章設計了某型主力運輸機放大和整流組件試驗器，該試驗器用繼電器控制電路及閉鎖繼電器代替機械開關，用數字電位器代替機械電位計，電壓電流等模擬量均通過電量傳感器轉換后，由ADC采集經解碼顯示于LCD液晶屏上。該試驗器將所有放大和整流組件測試步驟模塊化，操作者在點擊測試按鍵選擇相應的測試項目后，試驗器將由程序控制完成測試步驟，操作者只需觀察測試現象填寫測試報告，很好地實現了放大和整流組件實驗器的自動化測試。

1 放大和整流組件試驗器的結構和原理

該試驗器主要由數字電位計調節電壓模擬控制通道Ⅰ和Ⅱ、支撐通道Ⅰ和Ⅱ、比較通道Ⅰ和Ⅱ襟翼收起﹑放下時的位置輸出信號，通過指示燈的點亮/熄滅檢查和測量各通道電壓值來檢測通道的調整是否正確。

放大和整流組件試驗器結構見圖1。

圖1 放大和整流組件試驗器結構圖

設備以51單片機為核心，分為控制單元和測量單元兩部分。控制單元主要由51單片機、控制按鈕、繼電器控制電路、電源電路和數字電位器組成。測試時操作人員通過測試按鈕選擇測試項目，單片機接收到觸發信號后運行程序控制開關電路和數字電位器，數字電位器通過調節電壓模擬襟翼放下、收起時的信號。測量單元主要由51單片機、電量傳感器、ADC0809和LCD液晶屏組成。、傳感器采集電壓、電流等模擬信號后通過A/D轉換，由單片機讀取數值，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器原理框圖

2 硬件設計

硬件電路分為控制單元和測量單元兩部分。控制單元負責整個電路繼電器的控制，數字電位器的動作及采集產品返回信號后的轉換。測量單元負責所有模擬量的時時采集，并將采集到的模擬量通過A/D轉換成數字量，經單片機解碼于LCD液晶屏上顯示。

2．1 控制單元

控制單元主要完成對試驗器的開關量及模擬量的控制和返回信號的監控，其原理框圖如圖3所示。

圖3 控制單元原理框圖

測試時操作人員通過測試按鈕選擇測試項目，單片機接收到觸發信號后運行程序，程序控制開關控制電路的繼電器實現開關量的轉換并發送串行數據到數字電位器，數字電位器接受到指令后實現電阻值的變化，以此來改變電壓值，實現驅動產品內部繼電器的作用。當產品內部繼電器工作，相應的面板信號燈燃亮，51單片機掃描到信號燈信號后停止程序。操作人員通過核實技術條件后判斷電路是否故障，檢查產品無故障后選擇其他測試項目進行測試。

2.1.1 數字電位器

數控可編程電阻器DS1867具有阻值可調、精度高、穩定性好、與微處理器接口簡單、價格低廉等優點，在控制、儀表等領域得到了廣泛的應用。該類數字電位器與外界的數據交換采用SPI接口。在本設計中，所使用的51系列單片機由于沒有SPI接口，故主要通過軟件編程的方式，實現單片機與DS1867的數據交換，不僅簡化了系統的復雜程度，同時使系統的整體成本大大地降低。DS1867內含兩個獨立的數字電位器，每個電位器在整個電阻值范圍內有256個均勻滑臂分支點，在8位數字信號控制下，電位器具有自動改變滑動端與固定端之間阻值的功能，因此，數字電位器又稱為數控可編程電阻器。兩個8位電阻設定值在掉電后可由芯片內集成的E2PROM自動保存。微處理機與DS1867的通信、控制僅用一個3線串行口來完成。

圖4 DS1867內部結構原理圖

由圖4可知，該數字電位器由電阻陣列、電子開關陣列、譯碼器、移位寄存器和控制電路等組成。電阻陣列由255個相同的電阻單元串聯在固定端H和L之間，形成256個節點，每個節點都接有一個電子開關，256個電子開關的另一端連在一起作為公共端構成了滑動臂W。8位電阻設定值經8/ 256譯碼器后就接通了電阻陣列中相應一個節點上的電子開關（其余均斷開），由此將該節點接到W端上，相當于滑動端W作了一次移動，L與W點之間電阻值RWL相應地發生了改變。RWL由下式計算：

式（1）中RW為滑臂電阻，即電子開關的導通電阻，通常RW≤100Ω，典型值為40Ω;R為電阻陣列中每個電阻單元的阻值;D即輸入的數字量。圖4中，H0、H1為兩電位器高端;L0、L1為兩電位器低端;W0、W1為兩電位器滑動臂引出端;/RST為串行口復位輸入端;CLK為串行口時鐘輸入端; DQ為串行口數據輸入端;SOUT為兩電位器滑臂選通輸出端;COUT為級聯端。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定值，其使用分配情況如圖5所示。移位寄存器附加有一個E2PROM映象寄存器，用于掉電時保存設定值，上電后則自動將掉電前所記憶的數據送回移位寄存器。E2PROM可擦寫10萬次以上，采用這種寫入方式使得器件更能長期可靠地工作。

圖5 17位I/O移位寄存器

串行數據通信是DQ、CLK和/RST按照時序配合完成的，起始時刻/RST跳變到高電平，并且在一個編程周期內保持，DQ在CLK的高電平脈沖時刻將數據位寫入，DQ數據需要在CLK高電平建立已經保持了一定時間。編程時序如圖6、7、8所示。

圖6 總時序圖

圖7 起始處時序圖

圖8 結束處時序圖

2.1.2 開關控制電路

開關控制電路由51單片機通過譯碼電路控制后端閉鎖繼電器完成。由于試驗器有大量開關量信號，并且此開關量信號要求長時間保持以達到機械式開關的作用。譯碼電路后接普通繼電器只能完成瞬時開關量信號轉換，不能達到機械開關的效果。若單片機直接控制普通繼電器則可以達到機械開關的效果，但因有大量開關量信號，而單片機沒有足夠的I/O口，因此采用單片機控制4－16譯碼器，譯碼器經光耦隔離和2803增強驅動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個測試按鍵組成4﹡4矩陣電路，矩陣電路通過MM74C922矩陣鍵盤編碼器與單片機進行連接。工作時，當任意按鍵被按下，矩陣電路X﹑Y各有一路導通，MM74C922掃描到輸入信號后進行編碼，發送給單片機，同時數據使能端變成高電平，表示數據可用。單片機接收到信號后根據編碼選擇相應的程序執行。

圖10 矩陣鍵盤電路

2．2 測量單元

測量單元主要完成對試驗器供電電壓、消耗電流進行采集并在LCD中顯示，其原理框圖見圖11。

圖11 測量單元原理框圖

電壓、電流信號經過電量傳感器轉換成0－5V的線性電壓信號，此電壓信號經過ADC0809進行模數轉換，把0－5V的模擬信號轉換8位數字信號，單片機接收8位數字信號后進行數據處理，并將處理結果顯示在LCD液晶屏上。

ADC0809八位逐次逼近式A/D轉換器是一種單片CMOS器件，包括8位的模/數轉換器、8通道多路轉換器和與微處理器兼容的控制邏輯，可對8路模擬信號進行分時采集和轉換，最大不可調誤差小于±1LSB，每個通道轉換時間均為100μs。ADC0809沒有內部時鐘電路，因此必須外接時鐘。

工作時，單片機通過P口向A/D轉換器發送模擬通道的地址編碼信號，并通過地址線和寫控制線WR控制地址編碼信號的鎖存選通相應的模擬輸入通道，然后啟動A/D轉換。當轉換結束后，A/D轉換器經EOC斷發出轉換結束的標志信號，經反相后送入單片機的INT0端，向單片機發出中斷請求。當單片機響應此中斷請求時，單片機通過I/O口和讀控制線RD使A/D轉換器的OE端為高電平，從而控制轉換器的三臺數據輸出鎖存器通過P口向單片機輸出轉化結果數據。

3 軟件設計

3．1 軟件功能

本設計的軟件采用C51匯編語言進行編寫，主要實現放大和整流組件試驗器的自動測試。

3．2 控制單元程序

當檢測到測試按鍵發出的信號后，選擇相應的測試內容進行執行。程序將控制設備內的繼電器進行開關量的轉換，并通過串行數據向數字電位器發出指令，使數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﹑放下時的位置輸出信號。當產品內部繼電器工作時，單片機掃描到響應的返回信號后停止運動，待操作者觀察完現象填寫測試報告后進行下一步測試。控制單元主體程序和測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 測試分步程序流程圖

3．3 測試單元程序

測試單元程序采用中斷方式對ADC0809的數據進行采集，采集到的8位數字量經程序處理，并將處理結果顯示在LCD液晶屏上。

中斷方式的編程思路：①打開相關的中斷設置。②向ADC0809寫入通道號并啟動轉換。③等待A/D轉換完成后產生中斷申請。④響應中斷申請，從ADC0809讀取采集到的數據并存入內存單元。流程圖見圖14。

圖14 測量單元軟件流程圖

4 結束語

本文設計了一種基于51單片機的放大和整流組件試驗器，經過調試驗證，該試驗器能完成對放大和整流組件的所有性能的測試，并將測試步驟固定模塊化，方便了操作者的測試，并大大縮短了檢測時間，提高了設備的檢測效率。

［1］華成英，童詩白．模擬電子技術基礎［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［2］閻石．數字電子技術基礎［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［3］李廣弟．單片機基礎［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2001．

［4］宋家友．集成電子線路設計手冊［M］．福建：福建科學技術出版社，2002．

［5］張晨．8051單片機［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，研究方向為智能測試技術。