吸尘器控制板量产测试系统的设计和实现.docx

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吸尘器控制板量产测试系统的设计和实现

微电脑吸尘器控制板量产测试系统的设计和实现

TheDesignandimplementationfor

ProductiontestsystemofMicro-computervacuumcleanercontrolpanel

微电脑吸尘器控制板量产测试系统的设计和实现

【摘要】：

TC-161为华师大与某日本公司合作开发的一款微电脑吸尘器内部的控制板。

本毕业设计开发了一个用以量产测试此类控制板性能好坏的单片机测试系统。

本文首先详细介绍了本次测试系统开发的需求以及所需测试的11个接口和15个参数。

其次，总结了测试系统所需实现的功能要求，接着从典型的单片机测控系统的原理及框图入手，介绍了本次测试系统设计的组成框图以及测量原理。

再次，分块介绍了测试系统的单片机系统电路，频率、电流、电压采集电路，液晶显示电路，以及模拟手柄电路。

最后，设计并实现了系统软件。

系统软件的设计包括主程序的设计、数据采集程序的设计和LCD液晶显示器程序的设计。

本文还详细介绍了主程序设计所需用到的简单嵌入式操作系统sEOS以及LCD液晶显示器的显示原理。

【关键词】：

AVR单片机单片机测试系统数据采集LCD液晶显示器

TheDesignandimplementationfor

ProductiontestsystemofMicro-computervacuumcleanercontrolpanel

【Abstract】：

TC-161,whichisdevelopedbyEastChinaNormalUniversityandaJapanesecompany,isamicro-computercontrolpanelinsidethevacuumcleaner.Thisthesishasdevelopedasingle-chiptestsystemforthemassproductionofsuchpanelstotesttheperformanceofgoodandbad.

Firstly,thepaperelaboratesonthedevelopmentrequirementofthistestsystemandthe11interfacesand15parameterswhicharenecessary.

Secondly,itsummarizestherequirementoffunctioninthistestsystem,andalsointroducesthetestsystemdesignblockdiagramaswellasthemeasuringprinciple,accordingtotheprincipleandblockdiagramoftypicalsingle-chiptestsystem.

Thirdly,itintroducestheblocksoftestsystem,suchassingle-chipmicrocomputercircuit,frequency,current,voltageacquisitioncircuit,liquidcrystaldisplaycircuit,andcircuitsimulationofthehandle.

Finally,systemsoftwarehasbeensuccessfullydesigned.Thesoftwareinvolvesthedesignofmainprogram,datacollectionprogramandliquidcrystaldisplay（LCD）program.Thisarticlealsointroducesthesimpleembeddedoperatingsystem（SEOS）aswellasthedisplayprincipleofliquidcrystaldisplay（LCD）indetail.

【Keywords】：

AVRSingle-ChipSingle-chiptestsystemDatacollectionLiquidcrystaldisplay（LCD）Monitor

一、引言

（一）问题的提出

日前，由华东师大与日本某公司合作开发出一系列新式智能吸尘器。

该系列吸尘器内部有一块用以控制吸尘器的工作模式以及确保吸尘器工作安全性的微处理器控制板（以下简称“控制板”），故又称“微电脑吸尘器”。

该系列控制板有如下作用：

1、控制吸尘器的工作模式

该吸尘器具有五种工作模式，分别为空闲模式、模拟键盘关闭模式、模拟键盘低档模式、模拟键盘高档模式、异常模式。

后面将会详细介绍。

2、实现吸尘器的慢启动

在控制板的控制之下，吸尘器的电动机是慢慢地启动。

3、确保吸尘器的工作安全性

（1）温度保护：

控制板能够实时监测吸尘器工作时的内部温度，当温度超过某一范围时，则自动关闭电动机。

（2）过压保护：

控制板能监测电动机的工作电压，当电压超过某一范围时，则自动关闭电动机。

TC-161为该系列控制板中功能最全面的一个。

为方便检测TC-161的好坏，并满足其工业批量生产的需求，本毕业设计开发了这个微电脑吸尘器控制板量产测试系统（以下简称“测试系统”）。

（二）需求分析

在测试系统的需求分析中，用户只提供测试需要的相关接口以及必要的协议，而TC-161的各项功能的实现原理以及设计图，对此次测试系统的设计来说可有可无。

1.为测试提供的接口

用户最终提供的接口有11个，分别以TP1、TP2、……、TP11计。

详细接口如下图1-1：

图1-1T-161测试治具接口

Figure1-1Fixtureinterface

各接口说明如下：

TP1：

接工作电源正极，用于检查测试系统是否工作在正常电压下

TP2：

接地

TP3：

接NTC热敏电阻，用于测试温度保护电路是否正常

TP4：

接某交流信号，用于测试50赫兹的同步信号是否输入到TC-161

TP5：

接某电阻，用于测试过压保护电路是否正常

TP6：

该接口用于测手元电压

TP7：

该接口用于测基准时钟

TP8：

手柄插头之一，通过此接口与手柄连接

TP9：

手柄插头之一，通过此接口与手柄连接

TP10：

用于测量通过负载（电动机）的电流

TP11：

用于测量通过负载（电动机）的电流

2.需要测试的参数

（1）必要的说明

由于即将介绍的许多参数跟如图1-2所示的手柄有关，所以下面就该手柄做些必要的说明。

图1-2手柄与吸尘器的拓扑关系图

Figure1-2Topotaxychartbetweenhandleandvacuum

该手柄的作用是控制TC-161的工作模式。

TC-161一共分5种工作模式：

空闲模式（开关S1、S2、S3全部断开）、模拟键盘关闭模式（仅开关S1合上）、模拟键盘低档模式（仅开关S2合上）、模拟键盘高档模式（仅开关S3合上）、异常模式（专指手柄突然掉落或者被拔下）。

每种工作模式分别对应关于电流和关于电压的两个参数。

不难发现，以上所说的工作模式中有三个模式都带有“模拟键盘”这个四个字。

为什么有这么一说呢？

原来通过该手柄控制微电脑的工作模式的方法与传统的键盘直接控制电动机的方式不同，当按下手柄中的某一个按钮时，实际上是在给控制板发一个信号，而控制板在查询到此信号的变化时，决定对电动机发出停止、小功率或大功率的信号。

因而，该手柄实际上是起到一个模拟键盘的作用。

（2）需要测试的参数

1）工作电压

此参数检测TC-161是否工作在正常电压范围内，由TP1接入。

2）NTC热敏电阻电压

此参数检测TC-161内部温度保护电路是否正常，NTC热敏电阻两端的电压与温度成负相关，由TP3接入。

3）交流信号频率

此参数测试TC-161内的信号是否同步（频率为50Hz），由TP4接入。

4）过压

此参数测试TC-161的电压保护电路是否正常，由TP5接入。

5）基准时钟频率

此参数测基准时钟的频率，一般为16K赫兹左右，由TP7接入。

6）手元基准电压

“手元”是继承日本公司的叫法，即手柄的意思。

此参数为空闲模式下TP6点的电压。

7）空载电流

此参数为空闲模式下通过TC-161电动机的电流，理论情况下应该为0。

8）低档电压

此参数为模拟键盘低档模式下TP6点的电压。

9）低档电流

此参数为模拟键盘低档模式下通过TC-161电动机的电流。

10）高档电压

此参数为模拟键盘高档模式下TP6的电压。

11）高档电流

此参数为模拟键盘高档模式下通过TC-161电动机的电流。

12）停止电压

此参数为模拟键盘停止模式下TP6的电压。

13）停止电流

此参数为模拟键盘停止模式下通过TC-161电动机的电流。

14）手元拔出电压

此参数为异常模式下TP6的电压。

15）手元拔出电流

此参数为异常模式下通过TC-161电动机的电流

二、系统的总体设计

根据上一章的需求分析，作者设计出了控制板TC-161的测试系统，测试仪器如图2-1。

图2-1测试系统实物图片

Figure2-1Actualpicoftestsystem

下面两节将详细介绍该系统的主要功能要求及其测试原理。

（一）功能要求

毋庸讳言，该测试系统最主要的功能应该是准确地测试出需求分析中的各个参数大小并及时通过显示模块显示出来。

具体地讲，应该实现以下几个功能：

（1）频率的测量

可以测量出交流信号频率和基准时钟频率这两个参数。

应该注意这两个频率一个是低频一个是高频，因此运用到的测量方法会有所不同。

（2）电压的测量

可以测量以下8个参数的电压：

工作电压、NTC热敏电阻电压、过压、手元基准电压、低档电压、高档电压、停止电压和手元拔出电压。

其中最后五个参数测量点为都为TP6这个接口。

（3）电流的测量

可以测量以下5个参数的电流：

空载电流、低档电流、高档电流、停止电流以及手元拔出电流。

注意这五个电流的侧两点都为TP10和TP11接口。

（4）测试结果的呈现

能将每一步测量的结果都实时地显示出来；需要有一个指示灯说明测量正在进行、一个指示灯说明此控制板为坏板、一个指示灯说明此控制板为好板；当测量出现异常，即测试的某个参数不在其指定范围之内时，有相关设备发出报警的声音。

显示面板如图2-2。

图2-2测试系统显示面板

Figure2-2Displaymainboardoftestsystem

（二）基于单片机的测控系统

由于单片机体积小、重量轻、成本低，且具有较强的控制功能和多种计算能力，因此单片机自问世以来便大量应用于工业测控系统当中。

在基于单片机的测控系统中，经常需要对一些现场物理量进行采样，最后将采样结果或进一步处理的结果显示出来，同时输出需要的物理量反过来控制被测对象以及相关设备。

1．系统构成

下面给出一个典型的，比较全面的单片机测控系统。

如图2-3，图中间是单片机的主机板。

图的左边为计算机的外部设备，包括键盘显示器等。

图的右边为被测控对象，总称为用户。

图2-3典型单片机测控系统框图

Figure2-3Blackdiagramoftestandcontrolsystembasedonsingle-chip

由于本次设计的单片机系统主要任务是测试，而工业控制部分涉及得比较少，因而下面一小节作者将详细介绍基于单片机的测试系统的原理。

2．基本原理

基于单片机的测试系统的基本原理是，通过单片机I/O接口传输控制命令和测试信息，通过单片机串行接口组织测试网络，运行模块化的测试程序自动完成对不同被测对象的测试任务及测试数据的管理[2]。

（1）测试方式

在测试应用中，测试往往包括了一定的数据处理要求，因此基于单片机的测控系统执行多任务的实时性会大大降低。

然而通过分解被测对象的工作状态，以分步骤的形式分时安排测试任务，基于单片机的测控系统在处理和执行相关测试任务中就显得游刃有余了。

测试步骤是根据被测对象的工作原理人为制定的。

有了测试步骤之后，测试软件的设计才能按模块化的方法编写，使测试程序流程更加有序和科学。

一般测试方式有两种，即步进方式和连续方式。

步进方式是指在人为的控制之下，按步骤地执行测试任务的过程。

这种方式使程序执行完一个步骤之后，进入等待的状态。

连续方式是指单片机不按测试步骤停顿，连续执行测试任务的过程。

这种方式特别适合产品的合格检验和流水作业的场合[3]。

（2）测试信息显示

测试信息有三种显示方式，即单片机控制LED数码管显示、单片机控制LCD液晶屏显示、通过串行接口发送数据到PC显示。

一般显示的测试信息类型包括：

连续、步进方式选择提示、测试步骤提示、参考数据和测试数据显示、测试步骤结果显示、最终测试结果显示等[4]。

（3）测试软件设计

基于单片机的测试软件比一般的控制软件要大很多，而且相对较复杂，因而使用模块化的设计方法更加适合不同的被测对象和不同内容的测试步骤。

（三）TC-161测试系统的组成

按照TC-161测试系统的功能要求，决定采用如图2-4所示的模块组成系统，主要包括单片机控制器、交流信号频率检测电路、基准时钟频率检测电路、电压采样电路、电流采样电路、LED指示灯电路、液晶显示电路、报警电路和模拟手柄电路。

图2-4微电脑吸尘器控制板量产测试系统的组成框图

Figure2-4CompositionblockdiagramofProductiontestsystem

ofMicro-computervacuumcleanercontrolpanel

该测试系统的基本原理是：

利用AVR单片机（ATmega16L）自带的模数转换器对被测对象（频率、电压、电流等）进行采样，然后对采样数据进行处理，并最终将处理结果通过液晶显示屏、蜂鸣器、LED指示灯等设备呈现出来。

在测试期间，AVR单片机会做出相应的控制以方便测量的进行，比如控制模拟手柄电路，模拟手柄的工作方式，从而逐步测试TC-161在不同工作模式下的电压和电流。

由于测试只需检验被测板是否合格，因而测试系统采取的是连续测试方式，这大大降低了测试的周期，满足了流水作业的需要。

下面简述框图中的几个主要模块：

1．ATmaga16单片机

ATMEL公司的magaAVR单片机不但性能优越，同时也有非常好的性能价格比。

ATmega16是中档型的AVR芯片，它的引脚数为40，在片内集成了1K字节的SRAM，16K字节的Flash，512字节的

PROM，两个8位和1个16位共3个超强功能的定时/计算器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性，较全面的体现了AVR的特点，不仅适合对AVR了解和使用的入门起步学习，同时也满足一般的普通应用，在实际中得到了大量的使用[5]。

考虑到测试时需要用到定时器、外部中断口以及众多的ADC口，因此作者最终选择了ATmega16作为主控芯片。

2．交流信号频率采集

考虑到mega16的3个定时计数器引脚可能会全部都被占用，因而在被测信号频率（50Hz）不是很高不至于引起CPU繁忙的前提下，可以考虑使用外部中断口（INT0）来测量交流信号的频率。

若用T表示一定的时间间隔，用N表示在该时间间隔内的周期信号重复出现的次数，则周期信号的频率表达式为

（2-1）

单片机外部中断口测频方法可以严格按照式（2-1）进行，测量原理如图2-5所示。

图2-5单片机外部中断测频原理图

Figure2-5Schematicdiagramoffrequencymeasurementbymeansofexternalinterrupt

单片机的定时器/计数器1设置成定时器方式，由它对单片机周期信号计数定时，形成时间间隔T，去控制单片机外部中断的打开和关闭，显然单片机的机器周期信号在这里用作时基。

将外部中断设置成上跳沿触发或者下跳沿触发方式，当每接收到一个被测周期信号，外部中断便被触发一次，而在时间间隔T内被触发的次数就是式（2-1）中的N。

再经过单片机的计算，即可得到被测周期信号的频率。

3．基准时钟频率采集

基准时钟频率的大小大概为16KHz，若仍然采用外部中断测频法进行测量，那么测试过程中频繁的中断会占用大量系统资源，所以本毕业设计采用ATmaga16定时器/计数器0进行测量。

定时器/计数器的测频原理跟外部中断测频原理基本相同（见图2-6），只不过在这里扮演计数角色的不是外部中断而是定时器/计数器。

将定时器/计数器1设置成计数器方式，由它对被测周期进行计数，技数的结果就是式（2-1）中的N。

图2-6单片机定时器/计数器测频原理图

Figure2-6SchematicdiagramoffrequencymeasurementbymeansofTimer/Counter

4．电压量采集

ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC（模数转换器）。

ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。

单端电压输入以0V（GND）为基准[6]。

ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。

转换的结果被存入ADC结果寄存器（ADCL，ADCH）。

单次转换的结果如下：

式中，

为被选中引脚的输入电压，

为参考电压。

则所测的电压值为：

测试系统需要测量的电压的地方有4处，因而可分别用ADC0、ADC1、ADC2、ADC3连接被测电压量，再分时采集每一路的ADC值，进行计算后即可得到所测电压值。

5．交流电流量采集

对于交流电流的检测决定采用电流互感器的方法。

电流互感器是利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。

其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组（初级绕组）串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组（次级绕组）接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。

原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。

由于副边接近于短路，所以原边电压、副边电压都很小,励磁电流也很小。

将电流互感器的原边绕组串联在被测控制板电路中，即两端分别接TP10和TP11，副边绕组串联一个电阻，然后将电阻两端的电压输入单片机的AD口（ADC4）进行采样即可得到副边电流的相关量。

根据当原边与副边绕组的匝数比一定时，原边电流与副边电流成正比的特点，即可检测出交流电流的大小。

6．测试结果的呈现

测试结果的呈现分三个方面：

（1）通过LCD将测试步骤提示、测试数据、测试结果等信息显示出来。

上海恒芳电子的HF12864B2是一块128*64的汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）[7]。

（2）通过I/O口控制相关的LED指示灯的量灭来进一步说明测试的状态。

（3）通过I/O控制蜂鸣器，从而当测试步骤的结果出现异常时，系统会自动报警。

7．模拟手柄

在测试15个参数当中的最后10个参数时，因为它们都跟手柄有关，所以我们在测试系统中必须要电路模拟这个手柄的存在。

模拟手柄电路的关键是控制开关的开与合，这用单刀双掷开关继电器（如图2-7）代替开关即可以解决。

用单片机的I/O口给4、5两端通电，开关被掷向3，断电，则开关重新回到2。

三、硬件电路的实现

（一）单片机系统

下面给出单片机系统的基本组成部分，复位电路与时钟电路。

见图3-1。

图3-1复位电路与时钟电路图

Fiture3-1DiagramofResetcircuitandclockcircuit

1．复位电路的设计

外部复位电路采用上电复位和按键复位。

即当给系统上电时，VCC与地通过R1和电容E3导通，RST相当于低电平，此时系统复位；当按下开关sw1时，电容E3被短路，则RST低电平复位。

详见图3-1复位电路。

2．时钟电路的设计

采用外部晶振，主机时钟频率为6MHz。

详见图3-1时钟电路。

（二）数据采集电路

1．频率测量

如图3-2，频率的测量电路实现很简单，只要将测频率的接口（TP4、TP7）串上一个电阻再接入单片机的外部中断口和计数器口即可。

图3-2频率测量电路

Figure3-2Circuitoffrequencymeasurement

2．电压测量

如前所述，ATmega16片内自带了一个8通道的10位模数转换器，其接口为PA口。

因而只需将采样的信号串联一个10K的电阻接入ADC口即可。

所有信号在接入ADC口之前最好都串上一个接地电容滤波。

具体电路图如图3-3。

图3-3电压测量电路

Figure3-3Circuitofvoltagemeasurement

需要说明的两点是：

（1）TP2连接的是控制板的地线，必须与测试系统的地线相连，所以在图3-3中，TP2串联了一个0Ω的电阻之后再与地相连。

（2）工作电源（TP1）的测量实际上是分压之后再接至ADC0的，这是出于防止因电压过大而烧坏单片机的考虑。

3．电流测量

电流的测量采取电流互感器的方法，如图3-4所示。

T2为电流互感器，流经TP10、TP11的为交流电流，经过电流互感器之后，电流量按一定比例缩小，通过二级管和电容的作用之后，变为直流电流量，再通过弹片机的ADC4口采样，即可测出电流的大小。

图3-4电流测量电路

Figure3-4Circuitofcurrentmeasurement

（三）液晶显示电路

液晶显示器HF12864B2的引脚功能[8]如图3-5所示，具体介绍如下。

引脚1：

液晶电源地

引脚2：

液晶电源正端

引脚3：

LCD驱动电压输入端，调节对比度

引脚4：

并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号

引脚5：

并行的读写选择信号；串行的数据口

引脚6：

并行的使能信号；串行的同步时钟

引脚7~14：

液晶的并行数据

引脚15：

并串行接口选择：

H-并行，L-串行

引脚16：

空脚

引脚17：

复位低电平有效

引脚18：

空脚

引脚19：

背光LED阴极

引脚20：

背光LED阳极

单片机与液晶显示器接口电路图如图3-6所示。

说明以下几点：

（1）引脚V0的电压是通过可调电阻在VCC和GND之间分压得到，实践证明当V0的电压在4.5V左右的时候，液晶的显示效果最好。

（2）背光的阳极LED_A是通过串上一个电阻接到VCC上的，实际上也可以串上可调电阻，调节背光的亮度。

（3）由于测试系统中，单片机与LCD的接口采取串行接口方式，因而应将引脚PSB接低电平GND。

图3-6单片机与液晶显示器接口电路图

Figure3-6Circuitofinterfacebetweensingle-chipandliquidcrystaldisplay

（四）模拟手柄电路

模拟手柄电路如图3-7所示，可以发现，该图的作用原理跟前面