基于单片机的通用元器件测试设备的设计

洪明

（河北翼凌机械制造总厂，河北石家庄，050000）

0 引言

随着时代的进步，信息时代的到来，各部队信息化装备越来越多，数字化设备越来越多，这也带来了装备维修难度的提升，不认识、不明白、不敢动制约了部队基层对设备的修理能力，鉴于部队人员的流动性，在技术积累上有一定的劣势，故而针对设备维修的基础操作，降低元器件维修的技术入门门槛，提高自学维修的效果，设计了基于单片机的通用元器件测试设备。系统采用ATMEGA644P作为主控，通过内置的A/DC接口对目标元器件进行电压采样，由CPU进行相应的算法处理，自动分析器件型号和计算测试参数，将结果通过LCD液晶屏显示，LED显示界面根据面向低技术人群，添加了更加人性化帮助提示功能，可以显示测试方法、测试说明、好坏判断、小技巧等，进一步帮助操作者提升维修能力。

1 设计思路

设计结合实际工作需求，确定需要检测的常用元器件，即测试设备可以对电阻、电容、电感、二极管和三级管（包括场效应管MOS和BGT晶体管等）进行元器件的识别和测试，可以测试直插引脚和贴片引脚的器件，锂电池电源供电，有详细帮助提示功能。为此本设计的通用元器件测试设备由ATMEGA644P单片机、TL431A电源、锂电池供电电路、接口保护电路，USART HMI液晶显示屏组成。

系统结构工作原理如图1所示，电池为整个系统供电，单片机系统供电电路为整个测试系统提供稳定的5V电压，ATMEGA644P主控板在核心位置，起程序控制采集处理功能，并进行A/DC信号采集处理、元器件类型逻辑判断，接口电路进行元器件连接固定和信号匹配，端口保护电路对主控电路输入的信号进行电压防护，防止测试电压超出测试端口的范围，显示与人机界面交互电路用以显示测试结果，并根据测试元器件的类型，显示提示信息，让操作者在日常检测使用中学习元器件知识。

图1 系统结构工作原理

2 系统设计

■ 2.1 机械结构设计

在系统设计时，采用内外并行设计的流程，根据预期的使用操作方法，进行外观结构和面板接口等设计，设备考虑到基层使用人群的非专业性和使用环境的适应性，根据液晶屏和接口等产品尺寸进行设备内部模块的结构设计，先使用SOLIDWORKS软件绘制3D结构图，按实际产品尺寸规划设备内部板卡模块尺寸和安装结构，并设计优化外观，方便操作者使用和进行人机交互。

该设计采用铝合金壳体为主体结构，两边安装橡胶护件，按键和TYPE-C充电口采用防水款式，可防水防尘，液晶面板和接口测试处进行防水防尘处理。内部采用框架结构，便于安装，提升牢固性和整体的可靠性，铝壳体还以提升设备的EMI性能。

设备上面板的测试连接座采用插接结构，方便在损坏、氧化等情况下进行更换，也可以根据不同的测试器件和设备扩展不同的测试座，以便提高设备的通用性。

设备上采用5寸LCD液晶屏，在界面操作功能选择和数据浏览上有很明显的优势，液晶屏工作温度为-20°C~ 60°C，内部芯片皆为工业级，通过触控操作，接缝壳体使用硅胶进行加固和防水，使设备在环境适应性上有很大优势。使该款设备不止是检测设备，还是维修教材，可以将检测时的提示信息存储到设备的TF卡中，在检测结果旁边显示提示，做到随用随学，学以致用。

图2 设备机械结构设计

■ 2.2 主控芯片选择

主控芯片的作用是接收来自串口显示屏发送的指令，并处理指令，此时主控芯片输出测试信号，同时采集电压信号，根据不同引脚采集到的不同电压值，进行算法处理、器件类型判断、测量参数指标的计算，将测试结果的数据发送给串口显示屏，交由串口显示屏进行处理，显示屏在得到数据后，根据不同的器件类型，显示不同的图片和提示信息。

根据设计采用串口显示屏，在接口使用上有了大幅度的减少；对比市面上各类单片机，最终主控芯片选择了ATMEGA644P, Microchip ATmega644P 8位AVR® CMOS微控制器是基于AVR®增强型RISC架构的低功耗器件，在单个时钟周期内使用多达131个功能强大的指令，产生接近每1MHz 1MIPS的吞吐量，实现的吞吐量比传统CISC微控制器快10倍，而且ATMEGA644P芯片的IO引脚输入输出电压高，A/DC采集电压范围宽，满足大多数器件的测试需求。

■ 2.3 供电电路设计

供电系统采用TP4056X芯片控制的充电电路，TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器，外部无需 MOSFET、检测电阻器或隔离二极管，电池正负极反接保护、输入电源正负极反接保护，充电电压固定于 4 2V±1%，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置，高达1000mA的可编程充电电流，有电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的 LED状态引脚，电路如图3所示。配合一节18650宽温锂离子电池，工作温度在-40℃~85℃，且安全环保。

图3 充电电路设计

ME431AGX用作5V基准电压电路，为系统提供测试用参考电压，用以提高设备的测量精度，该芯片电路是三端可调分流调节器，可编程精确输出电压从2 5~36V的电压，是非常准确的参考电压，低输出噪声，宽操作范围为-40℃~150℃。

XL6007E1稳压器用以产生50V电压，用来为高压器件检测提供条件，该芯片具有宽输入范围，电流模式，芯片能够产生正或负输出电压，它可以配置作为升压、反激、EPIC或反相转换器。 XL6007内置N通道功率MOSFET和固定频率振荡器，电流模式架构导致在广泛的供应范围内稳定运行和输出电压。

■2.4 超高频分频器电路设计

超高频分频器采用富士通MB506，通过分频使仪器可以测量射频信号的频率，该芯片是频率高达2 4GHz的分频器，可用于频率合成器以形成锁相环PLL一个相位。它将把输入频率按128或256的模量进行分频，输出电平为1 6Vp-p值，可广泛用于射频收发器，电路如图4所示。

图4 超高频分频器电路设计

■2.5 A/DC电路设计

设计采用单片机内置A/DC来电压采集信号，该芯片有一个10位ADC，8个单端通道，7个差分通道，2个差分通道具有可编程增益（1倍，10倍，200倍），在工作时采集元器件引脚连接的TP1、TP2、TP3引脚电压，电路如图5所示。

图5 A/DC采集电路设计

■ 2.6 人机交互设计

在测试和查看测试结果时，一块能与单片机交互的屏幕显得尤为重要，相较于传统的SPI，I2C通信的OLED还是管脚较多的TFT屏幕，串口屏综合了以上屏幕的特点，即尺寸大、管脚少，能够充分减少占用单片机的I/O资源，且支持触摸，开发难度小，操作简单，软件要求低且拥有专门的上位机辅助开发。该设备在只使用1/3的面积即可满足测试结果的显示，剩余的可视面积用于显示与测试器件相关的帮助信息，做到随测随学。

该设备选用5寸串口屏，共有4根线分别是5V、TX、RX、GND 当串口屏与与单片机通讯时，我们要软件配置使用串口从而决定硬件连接。

使用USART1接口：

RX------------PD0

TX------------PD1

根据项目的需求去设计对应的界面，以达到我们预期的效果。我们使用官方给出的上位机USART HMI软件去设计界面。

在测试程序中首页添加了4个按钮控件1个文本控件。首页的文本控件用以显示功能介绍，测试页的文本控件用以随机显示被测元器件的小贴士信息。通过触屏可控制我们的功能模式选择。所以再添加4个子页面（智能测量，电压测量，频率测量，高压器件测量）通过主页面的按键来切换页面。所以在主页面下分别点击对应按钮控件，下方会出现事件界面，通常在弹起事件中做操作，可以达到一个防误触的效果（设备在测试完成后，会对界面进行外观优化），如图6所示。

图6 人机界面设计

3 系统软件流程设计

主控模块、显示屏等模块如果是人类的大脑和四肢，系统程序也可以理解为人类的神经，四肢再发达头脑再清晰，神经连接处理流程不对，人动作起来也会不协调。规划好系统运行的流程，搭建好程序框架就非常重要。该系统主控程序设计，是以实际业务操作流程为依据，适应各个模块的工作特点，遵照各模块之间的通信协议而设计的，如图7所示。

图7 系统流程

■ 3.1 初始化流程

系统上电后，单片机看门狗开始工作，时钟和各接口系进行初始化和用户配置，通信接口收发应答数据，基准电压等参数进行检测，在所有检测正常后，进入系统界面。

■3.2 人机交互及功能选择流程

LCD显示屏上显示系统主界面，并提供4个功能选项的选择操作，小贴士为提前编辑录入多个提示，随机显示，相较于传统单片机做UI设计，串口屏设计时信息显示更方便和多样化，在功能选择及按键界面处理等事件交由串口屏进行处理，使单片机的事件处理得到简化。

■3.3 通道控制与算法分析器件型号流程

根据选择的功能，单片机选择相应的输入接口，每一路接口都有相应的信号调制电路和保护电路，并通过单片机来控制，准备对元器件进行测试。

算法分析器件型号主要是根据选择的功能，进行不同的控制处理，通过对输出引脚进行逻辑控制和精准电压输出，对被测器件供电，单片机A/DC输入引脚对被测器件进行信号采集，通过不同的电压信号根据软件逻辑进行判断，此时测试的是哪种元器件，引脚定义是什么。

■3.4 参数计算与发送数据流程

设计采用单片机内置A/DC在系统中主要流程是接口初始化，配置接口，设置增益，在通道控制相关通路切换成功后，采集所有接口的电压并返回采集的电压值，系统进行参数计算。测试完成后，单片机将元器件型号、引脚位置、元器件参数进行成帧处理，将数据帧通过UART接口发送至串口显示屏。

■3.5 显示屏处理数据流程

串口显示屏在接收到单片机发送的数据后，会对数据帧进行判断，判断长度是否正常，判断帧数据的CRC检验是否正常，数据无误后进行帧处理解析出元器件型号、元器件引脚接法、元器件测量参数。

串口显示屏确定所有信息后，显示屏会显示相应元器件的原理图片，给操作者直观展示，同时显示器件引脚的实际连接方式，并显示元器件测量出来的参数，之后显示屏文本框会根据当前元器件的型号，从提示列表中随机选择一个进行显示，这样每次测试时都可以学习到一些不同经验。

4 总结

本次设计通过软件与硬件的相互使用证明设计是否符合目标要求，项目使用先外观在内部的设计，软硬件并行开发，主流的控制模块的选型，专业的开发软件使开发效率得到提升，并最大程度上考虑了安全性、环境适应性和电磁兼容性。

通过LCD液晶屏的设计，优化了人机交互，提升了使用感受；帮助贴士的显示在对于一般操作者的学习起到重要的作用。

此设备可以满足常用元器件的测试，为操作者提供简单易行的测试方法，对应三极管和场效应管这种外形一样的器件，提供了自动判断引脚，自动分析器件的功能，并添加了随机提升小贴士的提示功能，让设备成为了助手和老师，让操作者不再畏惧设备维修，并通过每次元器件的检测时学到一下相应的知识，该设备通用性和实用性强，使用方便，测试速度快，此设备的设计制作，在工作上提升了检修效率，提高了检测准确度，并可以广泛适应于多种检测环境，可作为现场维护保障，设备维修的重要补充手段。