I電子元器件的單片機(jī)檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24103電子元器件的單片機(jī)檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1194421.1主控模塊 1168101.1.1STC89C51單片機(jī)介紹 1262761.1.2STC89C51單片機(jī)系統(tǒng)電路 4232971.2電阻、電感和電壓的測量電路 5130491.2.1555定時(shí)器簡介 5120521.2.2測量電阻電路的設(shè)計(jì) 813231.2.3測量電容電路的設(shè)計(jì) 9246711.2.4測量電感電路的設(shè)計(jì) 10169201.3多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計(jì) 11232771.4液晶顯示 121.1主控模塊1.1.1STC89C51單片機(jī)介紹STC89C51單片機(jī)是一款國產(chǎn)的八位微控制器。單片機(jī)具有多個(gè)可變的時(shí)鐘周期、處理速度快、消耗的功能少和對干擾的抵抗能力強(qiáng)特點(diǎn)。STC89C51除了常見的5V電源供電外還可以在3V的電壓下工作，在性能相同的情況下?lián)碛锌梢赃_(dá)到48MHz的工作頻率，這個(gè)數(shù)值大約只有傳統(tǒng)8051單片機(jī)的一半。有高達(dá)512字節(jié)的RAM集成在STC89C51之上，包括電源串口和時(shí)鐘串口在內(nèi)共有40個(gè)引腳，其在系統(tǒng)之中和在應(yīng)用之中都可以進(jìn)行編程不需要使用專門對應(yīng)的軟件，只需要數(shù)秒的時(shí)間就可以通過數(shù)據(jù)串口完成對所需要程序的下載。其作為一種處理效率高、使用方式靈活的解決辦法，被廣泛應(yīng)用于嵌入式的控制應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中。[[][]胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]

.北京:清華大學(xué)出版社.2012:03-05.圖1.1.1STC89C51封裝實(shí)物主要功能列舉1、芯片內(nèi)部包含一個(gè)時(shí)鐘振蕩器2、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）具有4KB的內(nèi)部存儲(chǔ)容量3、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）具有256字節(jié)的存儲(chǔ)容量4、I/0口線具有32個(gè)可編程口線5、8個(gè)中斷向量源6、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器保證加密程序全雙工UART串行通道功率消耗很低且有掉電模式在掉電以后可通過中斷進(jìn)行喚醒有看門狗定時(shí)器保證運(yùn)行具有雙數(shù)據(jù)指針通道的設(shè)計(jì)具有掉電的標(biāo)識(shí)符時(shí)刻表明運(yùn)行各引腳功能VCC:STC89C51電源正端輸入，接+5V。GND:電源的接地端。XTAL1:反相放大器的輸入端。XTAL2:反相放大器輸出端。Reset:stc89C51的重置引腳，需要高電平才能使其生效，需要將芯片進(jìn)行復(fù)位操作時(shí)，只要將引腳電平提高到高電平并維持兩個(gè)以上的周期，就可以完成對單片微控制器的復(fù)位。EA/Vpp:“EA”是英語中“externalaccess”的縮寫，表示一個(gè)儲(chǔ)存在外部的代碼被訪問，需要低電平才能使其生效，當(dāng)這個(gè)引腳運(yùn)行時(shí)，即當(dāng)此引腳的電平低電平時(shí)，將儲(chǔ)存在外部的代碼送至系統(tǒng)使用（存儲(chǔ)在externaleprom中）對程序進(jìn)行執(zhí)行操作。因此，在某些芯片中，內(nèi)部沒有代碼，因?yàn)閮?nèi)部沒有空間存儲(chǔ)程序，所以ea引腳的電平必須是低電平。但是8751內(nèi)部可以存儲(chǔ)程序，所以如果使用8751內(nèi)部程序空間，則加在ea引腳的電平高電平。ALE/PROG:ALE是英語中“addresslatchenable”的縮寫，表示一個(gè)使能信號(hào)用以地址鎖存。PSEN:此為"programstoreenable"的縮寫，它的意思是啟用程序存儲(chǔ)，當(dāng)8051工作模式設(shè)置為讀取外部程序代碼（ea=0）時(shí)，將程序代碼以發(fā)送信號(hào)的形式獲得。PORTO(P0.0~P0.7):端口О雙向輸出入端口，它是一個(gè)8位寬的開路汲極（opendrain）出入端口，因?yàn)槭?位寬的所以共有8位，P0.0代表第零個(gè)端口，P0.1代表第一個(gè)端口，依此類推。如果沒有電路配置給其他三個(gè)I/O端口（P1，P2，P3）。相反，將會(huì)有一個(gè)升壓電路在其內(nèi)部。當(dāng)用作I/O串口時(shí)，8個(gè)lsttl負(fù)載可以由P0驅(qū)動(dòng)。如果作用在ea引腳的電平為低電平，則地址總線（A0?A7）和數(shù)據(jù)總線（DO?D7）被P0以復(fù)用方式所提供。將從端口О發(fā)送的地址鎖存到AO-A7的時(shí)候設(shè)計(jì)人員必須添加一個(gè)鎖存器，合成完整的16位地址總線需要從端口2發(fā)送的A8到A15組合，并將地址存儲(chǔ)到64千字節(jié)的外部存儲(chǔ)空間。PORT1(P1.0~P1.7):雙向I/0端口同樣也包括即帶有內(nèi)部升壓電路的端口1。其輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。同樣，此端口用于輸入數(shù)據(jù)時(shí)，此端口1的輸出設(shè)置必須為高電平。但是如果使用某些芯片的話，則P1.0用作定時(shí)器2的外部脈沖輸入引腳，而T2EX功能將被口P1.1運(yùn)行，可以作為哦觸發(fā)引腳用作外部中斷輸入。PORT2(P2.0~P2.7):帶有內(nèi)部升壓電路的雙向I/0端口是端口2。每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。如果將高電平作為端口2的輸出設(shè)置，則該端口可用作輸入端口。通用I/0端口除了P2端口可以承擔(dān)之外，程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器作為STC89C51的外部擴(kuò)展，它還將提供高八位地址總線的高字節(jié)A8?A15。此時(shí)，I/O口不能由P2承擔(dān)。PORT3(P1.0~P1.7):帶有內(nèi)部升壓電路的兩個(gè)方向I/0端口是端口3。4個(gè)TTL負(fù)載可以由它的輸出緩沖器驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，還有其他附加的特殊功能被它的多個(gè)工具作用，包括串行通信，外部中斷控制，計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)控制以及外部功能，例如對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂啤Ｆ湟_分配如下:P1.0:RXD，串行通訊輸入P1.1:TXD，串行通訊輸出P1.2:INTo，外部中斷0輸入P1.3:INT1，外部中斷1輸入P1.4:To，計(jì)時(shí)器О輸入P1.5:T1，計(jì)時(shí)器1輸入P1.6:WR:外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫入信號(hào)P1.7:RD，當(dāng)讀取外部存儲(chǔ)器所釋放的信號(hào)單片機(jī)引腳圖如下:圖1.1.2STC89C51引腳1.1.2STC89C51單片機(jī)系統(tǒng)電路僅由幾個(gè)必要元件所構(gòu)成的單片機(jī)電路被稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路[5]。本次設(shè)計(jì)采用USB串口提供5V直流電壓供電，采用12MHz的晶振來提供時(shí)鐘信號(hào)，另外再分別采用一個(gè)大小合適的電阻和電容來構(gòu)成復(fù)位電路。圖1.1.3STC89C51最小系統(tǒng)電路1.2電阻、電感和電壓的測量電路1.2.1555定時(shí)器簡介NE555全稱時(shí)基集成電路，時(shí)基由數(shù)字模擬電路結(jié)合而達(dá)到。它具有突出的性能和廣泛的應(yīng)用范圍，模擬和數(shù)字電路的中型集成電路需要很少的外部電阻電容組件可以輕易組成，而無需任何外部的電子元件就可以形成施密特觸發(fā)器，十分簡單便捷。因此，脈沖波形的生成和轉(zhuǎn)換，測量和控制等大部分需要用到集成的時(shí)基集成電路，其運(yùn)用的廣泛性可想而知。[[][]李澤安.RLC振蕩的脈沖激光器驅(qū)動(dòng)特性.發(fā)光學(xué)報(bào).2021(04)1)555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)基集成電路是由數(shù)字模擬電路結(jié)合而成的集成電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6（A）所示，其引腳排列如圖（B）所示。圖1.2.1定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)它由一個(gè)基本的R-S觸發(fā)器、一個(gè)分壓器、一個(gè)比較器和一個(gè)放電晶體管組成。三個(gè)串聯(lián)的電阻組成就可以組成芯片中的分壓器。芯片內(nèi)部所具備的電壓分配器可以為外部的比較器分配使用其額定電壓，在同相輸入端所輸入的電壓大致為總輸入的三分之二；與之相對的負(fù)向輸入端的輸入電壓大致就只有總輸入電壓的三分之一。將一個(gè)高電平的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)給予器件的反相輸入端，之后再比較與之相對的輸入端的電壓，在R--S觸發(fā)器中將比較所得的結(jié)果進(jìn)行輸入；然后在A2上將一個(gè)低電平信號(hào)輸入到同相輸入端作為觸發(fā)，用前面所提到的方式進(jìn)行比較，得到一個(gè)比值結(jié)果，將其作為一個(gè)輸入信號(hào)發(fā)送到R--S觸發(fā)器之中。對于R-S觸發(fā)器而言，它的輸出狀態(tài)基本上可以被兩個(gè)比較器的輸出端所控制。2）555的運(yùn)行原理多諧振蕩器由555定時(shí)器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-7(C)部分所示，其中外部原件是電阻R1、電阻R2和電容C。該圖的部分(D)中顯示了555定時(shí)器的工作波形。假設(shè)將初始電壓Uc＝0加在電容兩端，并且實(shí)驗(yàn)開始時(shí)直接接通電源，由于電容兩端的電壓十分平穩(wěn)，導(dǎo)致它的電壓不能突然改變，因此高觸發(fā)端VTH等于低觸發(fā)端VTL＝0，并且比電源電壓的三分之一還要小，比較器A1和A2分別對高電平信號(hào)和低電平信號(hào)進(jìn)行傳輸，將R--S觸發(fā)器設(shè)定為高電平，由定時(shí)器u0負(fù)責(zé)對高電平進(jìn)行傳輸，這時(shí)QUOTE，定時(shí)器內(nèi)部的放電三極管停止工作，電源向電容器C充電經(jīng)由R1，R2，Uc不斷升高。當(dāng)Uc的電壓相當(dāng)于電源電壓的三分之一時(shí)，A2改變，器件輸出低電平，QUOTE、QUOTE為高電平，不會(huì)影響R--S觸發(fā)器的運(yùn)行。所以從開始到t0這期間，定時(shí)器輸出u0狀態(tài)發(fā)生變化，其輸出是高電平。圖1.2.2振蕩器工作原理在進(jìn)行到t1時(shí)刻，uc端的電壓上升至QUOTE電源電壓的三分之二，A1輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑@時(shí)低電平顯示在QUOTE端，高電平顯示在QUOTE端，R--S觸發(fā)器由高電平變?yōu)榈碗娖剑?定時(shí)器u0端輸出。在運(yùn)行至t1至t2期間，QUOTE，放電三極管T開始運(yùn)轉(zhuǎn)，電容器C經(jīng)由電阻R2放電。uc快速下降，當(dāng)uc小于電源電壓的三分之二時(shí)，在A1輸出檢測電平變化，由低電平變?yōu)楦唠娖?，R--S觸發(fā)器的QUOTE、QUOTE端為高電平，u0仍然為0，而且Q端不變。在進(jìn)行到t2時(shí)刻，uc的電壓變?yōu)殡娫措妷旱娜种唬珹2輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，在R--S觸發(fā)器中同樣也發(fā)生著變化：QUOTE為高電平，QUOTE為低電平，觸發(fā)器處于高電平狀態(tài)，定時(shí)器輸出u0為高電平。此時(shí)電容器再次接收到電壓端的電壓，然后反復(fù)進(jìn)行以上操作。上面的分析表明，將電壓加在電容器上時(shí)，定時(shí)器u0運(yùn)行為高電平，當(dāng)撤去加在電容器上的電壓時(shí)，u0運(yùn)行為低電平。電容器兩端被連續(xù)加上和撤去電壓時(shí)，output端獲得矩形脈沖方波。然而沒有外部信號(hào)輸入多諧振蕩器時(shí)，仍然可以輸出矩形脈沖方波波。多諧振蕩器的本質(zhì)是將直流電轉(zhuǎn)換為矩形脈沖方波形式的電能量，這個(gè)性質(zhì)大大提高了電路的可行性。3)振蕩周期圖(D)表明，T為T1和T2的時(shí)間總和。T1是電容兩端加上電壓的時(shí)間，T2。是撤去電壓以后電容器放電的時(shí)間。充電時(shí)間：T1=(R1+放電時(shí)間：T2=R2C矩形波的振蕩周期：QUOTE(式3-2-3)因此，當(dāng)想要改變矩形波的周期和頻率時(shí)，有且可以通過改變R1、R2和電容C的值即可。除了用單位運(yùn)行時(shí)間和大小給矩形脈沖方波進(jìn)行參數(shù)定義，矩形脈沖方波還可以用電子信息領(lǐng)域其他的概念權(quán)衡，那就是占空比，用字母q來表示，占空比=脈寬/周期，即q=tw/T，輸出單位運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)高電平所占的時(shí)間為tw。QUOTEQUOTEQUOTEq=T1T=T1T1+T2=R1+R2R1+2R2QUOTEQUOTEq=T1.2.2測量電阻電路的設(shè)計(jì)在集成電路中有很多種用途都十分廣泛，時(shí)基集成電路便是其中一種。只需幾個(gè)外部R和C組件即可形成多諧波，單穩(wěn)態(tài)和廣為人知的施密特觸發(fā)器。"脈沖計(jì)數(shù)法"是一種用于測量脈沖電阻參數(shù)時(shí)所使用的一種方法，多諧振電路由時(shí)基集成電路電路組成，并通過計(jì)算振蕩輸出的信號(hào)頻率來計(jì)算被測電阻的參數(shù)。多諧振蕩器由時(shí)基集成電路接成，在使用過程中其振蕩周期為：T1=t1+t2得出：fx=1(ln2)(即：RX=(1ln2C1電路分為2檔：1、100Rx<1000ΩR2為330Ω,C2為0.22uF：RX=(6.56?(le+6)/2?fX)?330/22、1000Rx<1MΩ：R1為20KΩ,C3為102pF：RX=(1.443?le+8)/(2?fX電阻測試電路見圖1.2.3所示。圖1.2.3電阻測量電路1.2.3測量電容電路的設(shè)計(jì)“脈沖計(jì)數(shù)法”利用脈沖方波的參數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)偵測，所以該方法適用于針對電容參數(shù)的測量，多諧振蕩電路由時(shí)基集成電路組成，被測電容的參數(shù)通過計(jì)算振蕩輸出的頻率得到。時(shí)基集成電路接成多諧振蕩器，其振蕩周期為：T1=t1+t我們設(shè)置R1和R2相等得出：fx=13(ln2)/即：CX=13ln2R電路分為1檔：R4=510KΩ,R4=R6；CX=(0.94?(le+6))/fX(電容測試電路見圖1.2.4所示。圖1.2.4電容測量電路1.2.4測量電感電路的設(shè)計(jì)測量電感需要電容三點(diǎn)式振蕩電路，根據(jù)式（3-2-14）（式3-2-14）可得式（3-2-15）（式3-2-15）圖1.2.5電感測試電路1.3多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計(jì)在選擇測量通道時(shí)，需要用到CD4052，CD4052這款芯片具有差分?jǐn)?shù)字控制模擬開關(guān)能力的芯片，并且這款芯片有四個(gè)電路選擇方向，并且有兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入A0和A1和INH輸入。當(dāng)輸入狀態(tài)接通通道的輸入端為高電平時(shí)，將關(guān)閉所有通道，當(dāng)需要使用其中一個(gè)通道時(shí)，四對通道中的某一通道經(jīng)由兩位二進(jìn)制的輸入信