單片機(jī)是現(xiàn)代儀器儀表,，家用電器,，工業(yè)儀器等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的可編程器件之一，有著價(jià)格低廉,、編程靈活,、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),。由于單片機(jī)功能的飛速發(fā)展,，它的應(yīng)用范圍日益拓廣，小到玩具,，大到機(jī)器人,，從數(shù)據(jù)采集，過程控制．模糊控制等智能系統(tǒng)到人類的日常生活都離不開單片機(jī),。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)硬件的基本組成部分
系統(tǒng)主要可以劃分為程序控制模塊,、電流控制模塊、特性測(cè)試模塊和顯示模塊等4大部分,，系統(tǒng)基本框圖如圖1所示,。
程序控制模塊：采用STC89C52單片機(jī)為程序控制芯片，接受用戶指令,，控制各硬件部分協(xié)調(diào)工作,，程控模塊為核心控制模塊。
電流控制模塊：為了獲得較高的控制精度,，選用12位精度的DAC(Digital-to-AnedIogue Converters,，數(shù)模轉(zhuǎn)換器)TLV5613加上V／I轉(zhuǎn)換電路輸出穩(wěn)定電流值加載到測(cè)量回路，用于控制二極管的工作電流,。
特性測(cè)試模塊：為了提高測(cè)量精度,，采用12位精度ADC(Analogue-to-Digital Converters，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)AD574A,，AD574A是一種單片高速并行12位逐次比較型ADC,，具有外接元件少，功耗低,，精度高等特點(diǎn),，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能,，因此普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上，在該裝置中用于測(cè)量回路中被測(cè)二極管的電壓,，對(duì)二極管的好壞判斷,、極性判別和特性測(cè)試提供數(shù)據(jù)參考。人機(jī)交互：由按鍵組成,，可以手動(dòng)設(shè)置二極管電流,、選擇是否繪制伏安特性曲線等。預(yù)留串口：RS232串口,，可通過串口向PC機(jī)返回測(cè)試數(shù)據(jù),，方便調(diào)試。顯示模塊：采用MSG—G12232液晶模塊,，該模塊具有122x32的分辨率，功耗低,，顯示質(zhì)量高,，體積小、重量輕,，具有8位數(shù)據(jù)接口可方便地與單片機(jī)連接,，很適合用于顯示系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果、伏安特性曲線等信息,。
1．2 主要單元電路的設(shè)計(jì)
1．2．1 電流控制電路
電流控制電路采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片TLV5613加上V／I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成穩(wěn)定電流源,，可通過單片機(jī)程序控制輸出所需要的電流給測(cè)量回路供電以滿足系統(tǒng)測(cè)試對(duì)電流的要求。在極性測(cè)試環(huán)節(jié)可給出合適的電流值,，便于系統(tǒng)測(cè)量二極管電壓值并據(jù)此判斷二極管的好壞及極性,；在特性測(cè)試環(huán)節(jié)可根據(jù)設(shè)定電流值增大或減小回路電流，使其與設(shè)定值一致,；在伏安特性曲線繪制環(huán)節(jié)可給出由小到大逐漸增大的電流值便于系統(tǒng)采樣繪圖,。
圖2為將TLV5613輸出的電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電流源的V／I轉(zhuǎn)換電路，該電路具有恒流作用,，TLV5613的輸出電壓接Vi端,，可獲得穩(wěn)定的電流值Iout。當(dāng)R1～R4精確匹配時(shí),，Iout和Vi的關(guān)系為：
其中Vi=0～5 V,，R6=20 Ω，因此Iout=0～250 mA,，可1 mA步進(jìn),。經(jīng)實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)該電流源的V-I線性度非常好。若需要更大的電流,，可通過修改硬件設(shè)計(jì),，增大DAC輸出電壓或減小風(fēng)即可實(shí)現(xiàn),。因測(cè)試電流同時(shí)流過R6，當(dāng)Iout=250 mA時(shí),，R6的功率為(0．25)2x20=1．25 W,，此時(shí)R6發(fā)熱明顯從而影響測(cè)試精度，在實(shí)際電路中應(yīng)用5只100 Ω電阻并聯(lián)代替R6,，以分散功耗提高測(cè)試精度,。
1．2．2 特性測(cè)試電路
電壓測(cè)量采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD574A，電路中將電流控制電路的Iout引腳接到AD574A的模擬電壓輸入引腳10VIN即可,。
特性測(cè)試電路如圖3所示,，圖中左側(cè)為繼電器控制電路，當(dāng)CTRL端為高電平時(shí),，三極管VT1導(dǎo)通,，VCC通過VT1加載到繼電器5引腳，繼電器動(dòng)作,，被測(cè)二極管接入極性轉(zhuǎn)換,，二極管極性匹配后，即可進(jìn)行特性測(cè)試,。
2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件基于Keil開發(fā),，系統(tǒng)主要包括極性檢測(cè)、特性測(cè)試和伏安特性曲線繪制3個(gè)模塊,。
極性檢測(cè)模塊主要用于檢測(cè)二極管的好壞和極性,，并為特性測(cè)試前的極性匹配提供極性參考，測(cè)試時(shí)先由電流控制模塊給出合適電流值,，再由特性測(cè)試模塊測(cè)量二極管電壓值,，然后控制繼電器動(dòng)作轉(zhuǎn)換二極管的接入極性再測(cè)一次，當(dāng)被測(cè)二極管極性與回路外加電流方向與一致時(shí),，二極管導(dǎo)通,，此時(shí)特性測(cè)試模塊所測(cè)到的二極管電壓值在0．6～3．6 V之間，而當(dāng)被測(cè)二極管極性與回路外加電流方向相反時(shí),，二極管截止,，特性測(cè)試模塊測(cè)得其兩端電壓為10 V左右，ADC讀數(shù)滿量程(0x0FFF),，據(jù)此可判斷二極管的極性,，若兩種情況下測(cè)得的二極管電壓值均為10 V左右或者均接近0 V，可判斷為二極管已損壞,。
特性測(cè)試模塊用于測(cè)試二極管的伏安特性,，即設(shè)定二極管的工作電流，測(cè)量其電壓值,，當(dāng)進(jìn)入特性測(cè)試環(huán)節(jié)后,，先將二極管匹配極性接入測(cè)量回路,，加載初始設(shè)定值(如50 mA)，設(shè)定值在測(cè)量過程中可隨時(shí)改變,，由電流控制模塊增大或減小回路電流值使其與設(shè)定值一致,，然后由特性測(cè)試模塊測(cè)量被測(cè)二極管的正向壓降，并將測(cè)量結(jié)果在液晶上實(shí)時(shí)顯示,。
伏安特性繪制模塊主要用于繪制二極管正向伏安特性曲線,，進(jìn)入程序后，由電流控制模塊給二極管加載1 mA初始電流并逐漸增大直至最大,，采樣并記錄二極管的壓降,，然后將這些值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)依次在顯示器上顯示，便完成了伏安特性曲線的繪制,。繪圖過程中或繪圖結(jié)束后,，可隨時(shí)選擇結(jié)束繪圖或退出伏安特性曲線顯示程序。
主程序流程圖如圖4所示,，測(cè)試時(shí)先將待測(cè)二極管接入測(cè)量回路并打開電源,，程序自動(dòng)開始檢測(cè)二極管好壞和極性，檢測(cè)完畢后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)入二極管特性測(cè)試環(huán)節(jié)或報(bào)錯(cuò),，特性測(cè)試環(huán)節(jié)可測(cè)量和顯示二極管的設(shè)定工作電流值及正向壓降等信息,，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇進(jìn)入二極管伏安特性曲線繪制程序,。
3 設(shè)計(jì)中遇到的問題及分析
在軟硬件設(shè)計(jì)全部完成后的測(cè)試階段,，發(fā)現(xiàn)DA輸出的電壓值在某些點(diǎn)上與理論值不符，具有較大差異并呈現(xiàn)一定的周期性(且都是輸出值比理論值小),。通過初步分析,，認(rèn)為是DA的控制字寫入在某些點(diǎn)上不正確，于是將硬件電路上AD的模擬電壓輸入引腳斷開并直接接在DA電壓輸出腳,，并編寫了測(cè)試小程序,，將0～5 V每次遞增0．02 V對(duì)應(yīng)的控制字寫入DA，用AD測(cè)其輸出電壓值并將結(jié)果通過串口返回PC,，然后將電壓理論值與實(shí)測(cè)值的差值全部導(dǎo)入Excel,，然后在Excel中插入這些值的散點(diǎn)圖，散點(diǎn)圖如圖5所示,，0～250 mA電流值分別對(duì)應(yīng)0～5 V的電壓值(圖中截取了0～45 mA這一段),，縱坐標(biāo)為輸出電壓理論值與實(shí)際值的差異值。
通過觀察散點(diǎn)圖,，發(fā)現(xiàn)這些差異值點(diǎn)確實(shí)具有周期性,，即每組都是8個(gè)點(diǎn)的差異值同時(shí)較大或較小，從現(xiàn)象上看,，由于DA在某些點(diǎn)上能夠正常輸出電壓說明控制端口正常,，因而應(yīng)該是DA數(shù)據(jù)端口上某一位出現(xiàn)故障,，導(dǎo)致該位寫到DA中的數(shù)始終是0或者1，而因?yàn)檩敵鲋当壤碚撝敌?，所以判斷是該位始終為零,，當(dāng)DA寫數(shù)時(shí)，若該位本來是0,，則電壓正常輸出,；若該位本來是1，則錯(cuò)誤的將0寫入DA從而導(dǎo)致DA輸入電壓比理論值小,。進(jìn)一步分析,，由于每組大差異值點(diǎn)都是8個(gè)，每次步進(jìn)0.02V,，8個(gè)點(diǎn)就是0.16V,，而二進(jìn)制數(shù)10000000B對(duì)應(yīng)電壓值為0.156V≈ 0.16V，因此故障為應(yīng)該是D7位,，從而懷疑D7位是否短路到地,，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)該位連接完全正確，于是懷疑是DA內(nèi)部寄存器故障或單片機(jī)故障,，而DA內(nèi)部寄存器故障無(wú)法檢測(cè),，于是檢測(cè)單片機(jī)是否正常，編寫小程序令單片機(jī)所以數(shù)據(jù)引腳全部置1,，通過萬(wàn)用表測(cè)試發(fā)現(xiàn)單片機(jī)P1.7口(即D7位)為0,，其他引腳均正常，于是確定為單片機(jī)損壞,，更換單片機(jī)重新燒寫程序再測(cè)試,，故障順利排除。
4 系統(tǒng)測(cè)試
被測(cè)二極管采用1N4118,，用2個(gè)優(yōu)利德數(shù)字萬(wàn)用表UT33D作為測(cè)量?jī)x器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,，其中一個(gè)以毫安檔(量程200 mA)與被測(cè)二極管串聯(lián)，另一個(gè)以直流電壓檔(量程5V)與被測(cè)二極管并聯(lián),，在不同的設(shè)定電流值下測(cè)量二極管的實(shí)際電流和電壓,，測(cè)試結(jié)果如表1。
通過測(cè)試結(jié)果分析可見,，該測(cè)試器的測(cè)量結(jié)果可靠,，誤差較小，可滿足對(duì)二極管的一般測(cè)試要求,。系統(tǒng)誤差來源主要有系統(tǒng)誤差,、DA轉(zhuǎn)換誤差和AD轉(zhuǎn)換誤差等，另外電流較大時(shí)R6雖然由5個(gè)電阻并聯(lián),，但其發(fā)熱對(duì)誤差也有一定影響,。
5 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52芯片為硬件核心部件,，利用TLV5613、AD574A,、12864液晶顯示器等芯片或器件的相應(yīng)特性,，配合一定的軟件算法，制作了基于STC89C52單片機(jī)的二極管特性測(cè)試器,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二極管極性和特性的快速判斷和測(cè)試,。在設(shè)計(jì)過程中力求硬件電路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,，預(yù)留串口可向PC返回測(cè)試數(shù)據(jù)方便分析,，可用于一般的二極管特性測(cè)試場(chǎng)合。