中心議題：

• 基于89C52的二極管特性測(cè)試器的設(shè)計(jì)
• 探討設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及分析

解決方案：

• 基于STC89C52單片機(jī)的二極管特性測(cè)試器

利用單片機(jī)具有的智能程序控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的“二極管特性測(cè)試器”，可對(duì)二極管一般特性進(jìn)行快速測(cè)試。通過(guò)穩(wěn)定線性電流源給二極管加載恒定電流，然后由高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)試其壓降，以此為基礎(chǔ)可判斷二極管好壞、檢測(cè)二極管極性和測(cè)試二極管伏安特性等，避免了用萬(wàn)用表測(cè)試只能測(cè)得極性而不知其特性這一缺點(diǎn)。可用于電子設(shè)計(jì)制作過(guò)程中對(duì)二極管進(jìn)行快速測(cè)試，以確定被測(cè)二極管是否滿足電路的設(shè)計(jì)要求。

二極管是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)與制造行業(yè)中最常用的元器件之一，在使用前需要確定其好壞和伏安特性是否滿足設(shè)計(jì)要求，從而避免將已損壞的二極管接入電路或因二極管選用不當(dāng)而對(duì)系統(tǒng)造成影響。本裝置以MCU(MicroControllerUnit，微控制單元)為核心單元對(duì)二極管特性進(jìn)行測(cè)試，可以快速確定二極管的相關(guān)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，減少設(shè)計(jì)后期故障排查的工作量。本測(cè)試器可判斷二極管的好壞、判別二極管的極性以及測(cè)試二極管的伏安特性，特性測(cè)試中可設(shè)定二極管的工作電流，測(cè)量并顯示二極管的壓降，還能根據(jù)測(cè)試者需要繪制二極管的正向伏安特性曲線。硬件預(yù)留串口可與PC進(jìn)行串口通信向PC返回測(cè)試數(shù)據(jù)方便調(diào)試及數(shù)據(jù)分析。

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(guò)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(kāi)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-AnedIogueConverters，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-DigitalConverters，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(guò)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。
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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(guò)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=0～5V，R6=20Ω，因此Iout=0～250mA，可1mA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(guò)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(guò)R6，當(dāng)Iout=250mA時(shí)，R6的功率為(0．25)2x20=1．25W，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100Ω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(guò)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。 [page]
2系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于Keil開(kāi)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0．6～3．6V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10V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10V左右或者均接近0V，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50mA)，設(shè)定值在測(cè)量過(guò)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1mA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(guò)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(kāi)電源，程序自動(dòng)開(kāi)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(wèn)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(guò)初步分析，認(rèn)為是DA的控制字寫(xiě)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(kāi)并直接接在DA電壓輸出腳，并編寫(xiě)了測(cè)試小程序，將0～5V每次遞增0．02V對(duì)應(yīng)的控制字寫(xiě)入DA，用AD測(cè)其輸出電壓值并將結(jié)果通過(guò)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，0～250mA電流值分別對(duì)應(yīng)0～5V的電壓值(圖中截取了0～45mA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(guò)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(shuō)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(xiě)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(xiě)數(shù)時(shí)，若該位本來(lái)是0，則電壓正常輸出；若該位本來(lái)是1，則錯(cuò)誤的將0寫(xiě)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(guò)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(xiě)小程序令單片機(jī)所以數(shù)據(jù)引腳全部置1，通過(guò)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(xiě)程序再測(cè)試，故障順利排除。
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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200mA)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(guò)測(cè)試結(jié)果分析可見(jiàn)，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(lái)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(guò)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(lái)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。