1、摘 要本课题是设计维护 Z1 型实验箱中的实验模块所需的检测电路，为检测实验模块提供一个独立的检测平台。被测模块有：LED 数码管及键盘模块，LCD 及键盘模块，16X16点阵 LED 模块，A/D、 D/A 转换电路模块和 8255 并口扩展模块。本设计采用了电源软启动技术，使被测模块具有热插拔特性。控制部分和测试部分各采用了一片单片机构成，整体电路模块化程度较高。人机交换界面采用图形汉字的 LCD，操作方便。控制部分程序和被测模块的测试程序均采用 C51 语言编写，测试算法简捷有效。经过测试表明，整机的控制功能完善，用户操作方便，对各个被测实验模块的测试速度较快，测试结果显示直观，达到了设
2、计要求。本课题已经完成了全部电路和程序设计，若进一步完成结构设计则可投入实际使用。关键词：单片机； 测试；电源；软启动；C51 语言ABSTRACTThis project aims at designing an independent test machine to make the protection of Z-1 synthetic experiment box easier. The modules needed to be tested includes the LED displaying and keyboard module, the LCD displaying modu
3、le, the 1616LED lattice module, the A/D D/A converting circuit module and the 8255 parallel ports expanded module. This design adopts DC-DC digital controlling soft start technique to solve the problem of hot insert and pluck. The manipulating part and testing part constitute with a single chip resp
4、ectively, which yield a high level of modularity in the whole circuit. To facilitate the users operating the device, the interface between human and device uses a graphical LCD. The programs of the testing part and controlling part compiles with C51 language. Testing algorithm is explicit and effici
5、ent. The test results prove that the integrated device can control perfectly, users can operate conveniently, the test speed is quick for the modules to be test and it has an audio-visual test consequence. All of these satisfy the designing requests. This project has accomplished the design of entir
6、e circuit and program. It can apply to practical use with an extra construction design. Keywords: MCU; test; power supply ; soft start; C51 language目 录第一章 综合实验箱模块测试仪技术要求 .11.1 功能要求 .11.1.1 基本功能 .11.1.2 检测方式 .11.2 机械结构要求 .11.3 用户界面要求 .21.4 被测实验模块的测试要求 .21.4.1 LED 显示和键盘模块 .21.4.2 点阵 LED 显示模块 .21.4.3 L
7、CD 显示模块模块 .21.4.4 A/D、D/A 转换电路模块 .21.4.5 并口扩展模块 .21.4.6 单片机模块、电机模块、红外收发模块、存贮扩展模块（均为选做） .31.5 电气技术指标 .31.5.1 被测模块插座 .31.5.2 软启动电源 .31.6 设计条件 .31.6.1 测试插座尺寸 .31.6.2 电源 .3第二章 技术要求分析和方案设计 .42.1 技术要求分析 .42.1.1 测试功能要求分析 .42.1.2 测试仪技术难点和要点分析 .42.2 整体方案分析与拟定 .52.2.1 整体方案一 .52.2.2 整体方案二 .62.2.3 确定的整体方案及说明 .6
8、2.3 被测实验模块的测试方案（流程图）设计 .72.3.1 LED 及键盘模块测试方案设计 .72.3.2 LCD 模块测试方案设计 .92.3.3 1616 点阵 LED 模块测试方案设计 .132.3.4 A/D 和 D/A 模块测试方案设计 .152.3.5 8255 扩展模块测试方案设计 .19第三章 测试仪电路设计及用户界面设计 .233.1 软启动电源电路设计 .233.1.1 软启动电源电路设计考虑 .233.1.2 软启动电源电路设计方案 .243.1.3 软启动电路设计过程 .263.2 测试控制电路设计 .283.2.1 测试控制电路原理概述及设计说明 .283.3 测试
9、仪用户界面设计 .313.3.1LCD 菜单算法原理描述 .313.4 测试仪结构设计 .33第四章 测试仪调测实验记录 .344.1 测试仪软启动电路测试 .344.2 用户界面测试 .354.3 被测实验模块测试 .354.3.1 LED 及键盘模块测试 .354.3.2 LCD 模块测试 .364.3.3 16X16 点阵 LED 模块测试 .364.3.4 A/D、D/A 模块测试 .374.3.5 8255 扩展模块测试 .384.3.6 整机测试 .38结束语 .39致谢 .40参考文献 .41毕业论文1第一章 综合实验箱模块测试仪技术要求1.1 功能要求1.1.1 基本功能设计一
10、个测试平台，在脱离 Z-1 型综合实验箱的条件下对实验箱所配置的多种实验模块进行检测，并以可见方式显示测试结果。1.1.2 检测方式每次仅对一个模块进行测试。用户将被测实验模块插入测试平台插座，通过用户操作界面选择被测实验模块型号，按测试启动键后测试电路自动对被测电路进行测试，如果被测模块含有按键，则在测试过程中用户按下按键，该按键是否有效应通过可视的方式显示出来。1.2 机械结构要求Z-1 型综合实验箱模块检测电路应具有图 1.1 所示的机械结构其中：键盘 用于挑选和确定被测实验模块的型号菜单显示 用于显示各种被测菜单的型号，通过与键盘的配合确定被测实验模块名称。软启动电源 在控制电路的控制
11、下，为被测实验模块提供所需的电源，为了防止电源开启或关闭时以及被测模块插拔时电源浪涌造成实验模块的人为损坏，采用软启动和软结束方式供电。被测实验模块测试插座 用于插接被测实验模块控制及测量 控制电路用于控制整个系统的工作，测量电路用于向被测实验模块提供测试数据。键 盘菜单显示 控制及测量软启动电源被测实验模块测试插座图 1.1 测试电路结构要求示意图毕业论文21.3 用户界面要求应采用图形液晶作为用户界面显示器件，菜单和提示信息使用中文，用户输入采用自复键，菜单选择采用滚动条方式。除菜单操作键外，还应设置 1 个测试启动键和 1 个测试结束键。1.4 被测实验模块的测试要求被检测的实验模块种类
12、1.4.1 LED 显示和键盘模块该模块含有 8 位动态数码显示管和 44 组合的 16 位自复式按键，与 Z-1 型综合实验箱的连接采用 I/O 口接口方式。应测试数码管所有段位和 16 个自复式按键的好坏，以可视方式显示测试结果。1.4.2 点阵 LED 显示模块该模块由 4 块 88 点阵 LED 发光二极管集成模块组成，拼接后成为 1616LED 点阵发光二极管，与 Z-1 型综合实验箱的连接采用 I/O 口的接口方式。应能监测点阵中每一个 LED 的好坏，以可视方式显示测试结果。1.4.3 LCD 显示模块模块该模块由 12864 点阵液晶屏及驱动电路组成，具有背光控制功能，与 Z-
13、1 型综合实验箱的连接采用 I/O 口的接口方式。测试每一个像素的好坏，以可视方式显示测试结果。1.4.4 A/D、D/A 转换电路模块该模块由 ADC0809 型 A/D 转换集成电路组成，含有 8 个模拟直流输入，通过地址控制选择其中 1 路进行 A/D 转换，转换精度为 8 位，数字信号输出符合 TTL 电平要求。D/A 转换由 DAC0832 集成电路组成，转换精度为 8 位，数字输入信号符合 TTL 电平要求，输出信号为双向信号，电压范围为12V。测试时输出信号电压范围达到 5V 即可。与 Z-1 型综合实验箱的连接采用 I/O 口的接口方式。要求可以逐一测试没一路 A/D 转换电路
14、的还坏，以输出正弦波来检测 D/A 电路。1.4.5 并口扩展模块该模块通用并口扩展集成电路 8255 组成，符合 TTL 电平要求，与 Z-1 型综合实验箱的连接采用总线式接口方式。用比较直观的方式测试并显示并行扩展电路的好坏。毕业论文31.4.6 单片机模块、电机模块、红外收发模块、存贮扩展模块（均为选做）1.5 电气技术指标1.5.1 被测模块插座被测模块插座提供的各种电源种类及电压值应与 Z-1 性综合实验箱的插座兼容。测试插座的信号线及与单片机的接口关系应与被测模块的信号线兼容。1.5.2 软启动电源软启动电源启动时间应大于 10ms,关闭过程也应大于 10ms。软启动电源在关闭状态
15、的输出电压应小于 0.1V.1.6 设计条件1.6.1 测试插座尺寸要求能够与被测实验模块的插头直接接口。由于被测模块插头有 2 种尺寸，所以，测试台上应同时提供两种接口方式。1.6.2 电源内部系统电源应采用8V,经软启动处理后为5V。除电源软启动电路外，可购买电源模块，不必自行设计。毕业论文4第二章 技术要求分析和方案设计2.1 技术要求分析2.1.1 测试功能要求分析本课题要求测试的对象为 Z-1 型单片机综合实验箱所配置的多种实验模块，要求在脱离 Z-1 实验箱的条件下完成测试各模块电路好坏的功能。采用脱离 Z-1 型实验箱的测试方式是为了在实验教学中检修方便，便于集中对所有的实验模块
16、进行监测或维修。这个测试仪的主要功能是提供一个独立的测试电路，提供便于用户操作一个界面，用户可以根据提示进行各项操作，包括选择测试模块，设置测试前的条件，应得的测试结果等用户指引。同时，提供功能按键和电源软启动电路的启动和关闭按键。1）模块检测的要求所需测试的模块包括：LED 数码管及键盘模块，LCD 及键盘模块，16X16LED 点阵模块，8255 并口模块，A/D D/A 模块共 5 种实验模块。各模块检测要求如下：LED 数码管及键盘模块需要检测每个数码管的好坏，即使每个 LED 灯都能亮，还要测试键盘按键的好坏，能检测出是哪一个键被按下去，同时在数码管中显示相应的键值。LCD 及键盘模
17、块需要检测的是每个象素的亮灭，检测其显示功能，显示图片或文字，检测 LCD 的命令和数据的读写，正确检测按键并且在屏幕上显示相应的键值。16X16LED 点阵模块需要检测点阵上每个 LED 灯的亮灭，检测点阵的纵横向的位选。实现纵横向的扫描和全屏亮。8255 并口模块需要检测 8255 芯片的写命令的正确性，以及相应芯片工作的正确性。A/D D/A 模块需要检测模块上 0832 以及 0809 芯片能否正常工作。并且能提供相应检测效果让用户了解到到底是 A/D 模块还是 D/A 模块出现问题。2）检测电源的要求由于模块是在实验箱上电状态时进行插拔的，所以要为被测模块设计一个电源软启动电路和软结
18、束电路以保护实验箱电路和模块电路。3）控制电路的要求实验箱要实现的控制包括：板上 LCD 菜单屏及菜单按键的控制，软启动电源启动按钮和结束按钮的控制，各个模块的检测控制。2.1.2 测试仪技术难点和要点分析第一个技术难点是，由于测试模块与控制部分的通信都是通过两个 32 脚的总线插座毕业论文5进行的，因此在对模块控制部分也要模仿 Z-1 实验箱的做法将单片机上的 I/O 口，数据D0D7 口，A8A15 口，地址锁存器出来的 A0A7 口，以及从 74138 译码器出来的CS0CS7 口都引至两个 32 插座的相应管脚，与 Z-1 型实验箱对两个 32 插座的设置一样，只有这样才能实现与检测模
19、块通信信号匹配。然而这样就已经占用了单片机的所有 I/O口了，而板上 LCD 屏幕进行数据传输时要占用数据线，键盘的扫描需要占用 I/O 口，软启动电路是数字式的软启动控制电路，也需要占用 I/O 口。所以首先要解决的问题的就是 I/O 资源紧张的问题。可以通过寻址方式跟各模块进行通信，这样加大了控制部分的复杂性，而且加上某些资源如软启动电路一旦被启动了就要一直占用到结束为止，因此通过寻址方式解决显得并不合适。第二个技术难点就是电源软启动电路的实现，由于测试多个实验模块时需要不断地将被测模块在测试仪上插拔，但是，原实验箱在设计时没有考虑实验模块的热插拔功能，所以，为了防止因热插拔损坏被测实验模
20、块，必须为被测模块设计电源软启动电路。此外，由于每个被测模块所要测试的时间不一致，无法统一测试时间，所以，需要为被测实验模块的设置电源控制开关，电源启动时需要人工按上启动键后缓慢加载至工作电压，然后当测试完后人工按上结束键也是缓慢降至低电平。 本课题的技术要点就是要选择好各种被测实验模块的测试方案，既能全面测试模块的性能，又要简捷快速。2.2 整体方案分析与拟定 132.2.1 整体方案一图 2.1 是第一种整体方案，其中控制部分是单片机,接口电路的通信是通过总线方式将所有接口电路都是直接连接到总线上,通过寻址的方式实现与接口模块的通信。而接口模块包括菜单 LCD 屏，菜单功能按键，被测模块电
21、路还有电源软启动电路模块。测试前由单片机控制 LCD 菜单屏，显示菜单的同时不断检测键盘地址口是否有数据变化即判断是否有键被按下，一当有键被按下，读取键值，根据键值的大小进入下一层界面，当测试启动键被按下，电源软启动电路被启动，供给被测模块电路的电源由 0V 缓慢上升至5V，接着单片机执行选中的被测模块测试程序，再当测试结束键被按下时，终结测试程序，使能电源软启动电路将供给模块的电源由5V 缓慢降到 0V，LCD 回到主菜单界面，完成一个模块的测试。方案一的系统结构示意图 2.1 所示。图 2.1 方案一系统结构示意图主单片机模 块菜 单L C D 模 块功能键模 块电 源软 启动模 块被测电
22、路模 块总 线电源毕业论文62.2.2 整体方案二图 2.2 是第二种整体方案，其中控制部分是由两个单片机构成，一个单片机专门负责主板上菜单 LCD 模块，功能键模块以及软启动模块，而另外一个单片机专门针对被测电路的。两个单片机之间采用双机通信方式，前者为主 MCU 后者为从 MCU，两者通过串口进行通信。测试前先由主单片机控制菜单 LCD 屏显示封面和主菜单界面，然后等待功能键被按下，一当功能键有被按下，读取键值，根据键值判断确定要执行的测试程序编号，然后与从单片机构建连接，将要执行的测试程序编号及相关信息数据传输给从单片机，菜单 LCD 屏进入相菜单的下层界面，主单片机等待测试启动键的按下
23、，一当被按下，主单片机就向从单片机发出信号表示开始执行相应的测试程序，主单片机随后启动软启动电路将供给被测模块的电源由 0V 缓慢升至5V，从单片机接收到信号执行相应的编号的测试程序，主单片机等待测试结束键的按下，一当被按下，主单片机向从单片机发出结束测试信息，从单片机结束执行测试程序回复到构建连接前状态，主单片机使能软启动电源电路将供给被测模块电路的电源由5V 降到 0V，LCD 菜单屏回复到主菜单界面，完成一个模块的测试，方案二的系统图如图 2.2 所示。图中 RXD 为串行接收端，TXD 为串行发送端。2.2.3 确定的整体方案及说明方案 1 实现时缺点是会出现的主要问题是 I/O 资源短缺，可能需要扩充口的方法解决。但是优点是只需要对一个单片机进行编程，不需要考虑到双单片机操作同步性问题。方案 2 缺点是需要对两个单片机进行编程，对双机通信要求比较高，但是它缓解了I/O 资源的短缺，而且各自单片机所承担的责任明确，便于控制。而且可以实现对某些需要长时间占用 I/O 资源的电路模块提供固定的 I/O 口，减少了出错的情况，而且避免了增加外围维护电路，减小部电路板面积。图 2.2 方案 2 系统结构示意图菜 单 LCD模 块功 能 键模 块软 启 动模 块主单片 RXD机 TXD模块从单TXD 片RXD 机模块被 测 模 块电 路电源
