基于AT89S51的基本门电路芯片自动检测装置的设计与分析

基于AT89S51的基本门电路芯片自动检测装置的设计与分析彭耀仟

（中南大学自动化学院，湖南长沙410000）

摘

要：以AT89S51单片机为核心，设计了一种可脱机工作的数字芯片自动检测装置，可以自动检测常用的74系列组合逻辑集成

芯片的功能完整性。该检测装置系统由上位机和下位机组成，下位机以AT89S51单片机为核心，可独立工作；上位机程序由C语言编写，可以扩展下位机功能。

关键词：单片机；组合逻辑芯片；自动检测

1研究背景目前电子技术发展迅速，随着数字集成电路的广泛应

用，各大高校都开设了电子实验课程。在实践教学过程中，所使用的芯片完好是保证实验效果的前提。74系列逻辑芯片在数字电路中有着非常广泛的应用，但根据硬件实验和大型课程设计所得出的数据可知，74LS00等芯片相对于其他74系列芯片更容易损坏。在实验室中，同一块芯片在一段时间内的使用频率极高，接错线或短路、超压事故时常发生，芯片损坏率极高。

经调查发现，很多电子实验室仍采用手工检测法检测芯片功能的完整性，耗时长，效率低。因此，在实验教学中为了节省检测数字芯片的时间，提高教学效率，设计和开发一款可以快速检测芯片功能完整性的数字芯片检测设备，对于提高实验教学效果具有重要意义。

2研究目标本研究以AT89S51单片机为核心，设计外围电路，完成对

74LS00、74LS02、74LS08等高校常用芯片的功能完整性识别，预期功能有：

（1）测试自动化，20脚测试插座固定，测试范围不受被测器件的输入、输出、电源和位置的限制。

（2）同型号大批量器件测试简捷方便，效率高。

（3）能测试74系列的门电路、译码器等器件。（4）可查阅测试数据库内所有芯片的逻辑功能，作为电子手册使用。

（5）整机电源电压为+5V，供电方式为直流稳压电源。（6）可脱机工作，携带方便，轻巧美观。（7）可连接计算机，更新数据库，保证设备可持久工作。（8）两种检测插座，一种为面包板式固定20脚插座，可以方便地检测单个自由芯片的好坏；另一种为夹式自由20脚插头，可以方便地检测夹在被固定在电路板上或者其他难以移动的芯片的好坏，方便电路查错。

3研究工具和项目分析3.1研究工具3.1.1

AT89S51单片机

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的统称。51单

片机是目前世界上用量最大的几种单片机之一，目前在国内市场上占据主导地位的仍是51内核及其兼容单片机。这些单片机和MCS-51单片机的指令完全兼容，资料和开发设备比较齐全，价格也比较便宜。其中，Atmel公司生产的AT89S系列单片机具有低电压、低功耗、高性能的特点，并且AT89S系列单片机支持在线系统程序设计，使生产和维护更方便[1]。3.1.2

开发语言———C语言

汇编语言编写的单片机程序效率高，可执行性好，但是可读性太差且不易编写。与汇编语言相比，C语言在功能性、结构、可读性、可维护性上有明显优势。本研究选择C语言进行程序设计。3.1.3

开发环境———KeilC51

KeilC51是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil提供了包括C语言编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起，Keil可以通过安装辅助软件和Proteus软件进行联调，不需要重复进行烧录。3.1.4

仿真软件———Proteus8Professional

Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。3.2项目分析

3.2.1

组合逻辑电路和时序逻辑电路

数字逻辑电路按照功能结构的不同，可以分为两大类，一类叫组合逻辑电路，另一类叫时序逻辑电路。组合逻辑电路是由门电路组合形成的，在任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。时序逻辑电路是由触发器和门电路组成的，在任意时刻的输出不仅取决于当时的输入，而且同历史输入有关。3.2.2

芯片的封装

74系列芯片具有两种封装规格，即DIP14和DIP16管脚两种规格，不能简单地把两种管脚作为地或者电源。但是无论是哪种封装，都可以将8脚接地作为公共地，用两个不同的IO口控制两个电源接口，用依次检测的方法来确定电源位置。3.2.3

夹式测量头的可行性分析

由于固定好的芯片大多是整个电路的一部分，不将其与外电路隔离就检测的方法肯定是有误的，且本设计主要为高校实验室服务，所以决定放弃此种设计方法。

120ShejiyuFenxi◆设计与分析44.1方案设计总体方案设计

以AT89C51单片机为核心，通过串口与上位机通信，可以

平，并且74系列的组合逻辑电路除电源外对电平没有带负载的要求，所以直接用导线将单片机IO口和芯片管脚连接起来即可。

由于单片机本身带负载能力比较差，所以采用外部电源供电，IO口通过控制导通的方式对数字芯片进行供电。设置两个供电电路，以匹配两种不同封装的数字芯片。4.3软件方案设计

针对芯片自动检测仪的运行特点，本数字芯片自动检测仪的程序设计采取以下措施：

程序设计中，串口通信下位机接收采用中断方式，每个机器周期都进行检测，如果无信息传入，继续执行程序；如果有信息进入，接收信息，进入中断处理子程序，对信息进行解码，执行信息内容，执行完毕后回到断点。单片机循环执行矩阵键盘检测程序。如果一直无键按下，继续检测，直到有键按下，根据按键的键值，找到对应的芯片型号及其真值表，根据真值表执行相应的检测程序。如果检测结果为正常，显示绿灯；如果检测结果不正常，显示红灯。无论检测结果如何，下位机向上位机发送检测结果和相应芯片型号。

通过串口实现上位机实时显示检测结果，并且可以通过上位机控制下位机，并显示相关芯片信息。脱机运行条件下，通过红绿LED灯来输出检测结果；在连接上位机的情况下，通过上位机和LED灯共同显示结果。4.2硬件电路设计

以AT89S51单片机为核心，外围电路包括单片机最小系统及电源电路、4×4矩阵键盘、LED灯输出电路、串口通信电路、芯片检测电路。4.2.1

单片机最小系统及电源电路

AT89S51最高可使用33MHz的晶振，单片机最小系统晶振振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大，处理速度越快。本设计中由于要进行串口通信，考虑到12MHz的晶振在设置波特率为4800bit/s时，仍然有较大的误差，而采用11.0592MHz的晶振波特率最高可设置成19200bit/s并且误差率为0，相比采用12MHz晶振，其传输效率大为提升，且精准度高。基于以上考虑，本设计采用11.0592MHz的晶振。4.2.2

4×4矩阵键盘和LED灯电路

采用动态扫描的方法，将16个按键定义为16个不同的字符，不同字符代表不同功能，只占用8个IO口。

用两个IO口控制三极管的导通，从而控制LED灯的明灭，绿灯亮为芯片正常，红灯亮为芯片损坏。4.2.3

串口通信电路

5结语本设计为基于AT89S51单片机的数字芯片检测装置，可

以对74LS系列的实验室常用组合逻辑数字芯片的功能完整性进行检测。测试结果表明，本设计操作简易，测试速度快，结果直观，准确率高，成本低，适合高校实验室使用。

［参考文献］

[1]高玉芹.单片机原理与应用及C51编程技术[M].北京：机械工

业出版社，2011.

采用RS-232C串行口标准。RS-232C是美国电子工业协会公布的串行总线标准，用于实现数字设备之间的数据通信，通信距离最大为15m，传输速率为20kbits/s，完全满足本设计需求。

RS-232的电气标准是：-12～-5V为逻辑电平1；+5～+12V为逻辑电平0；而TTL电平规定输出高电平＞2.4V，输出低电平＜0.4V。因此，单片机的TTL电平要经过电平转换器才能与PC的RS-232C电平相连接，使用的芯片是MAX232。连接方式为：单片机串口发送线TXD，经过电平转换后接入PC串口接收线RXD，PC串口发送线TXD经过电平转换后接入单片机的串口接收线RXD。4.2.4

芯片检测电路

由于单片机和74系列的组合逻辑芯片采用的均为TTL电

（上接第119页）

收稿日期：2019-07-22

作者简介：彭耀仟（1997—），男，湖南长沙人，研究方向：自动化技术。

4结语本文通过调整列车时刻表，研究在不同运行图下再生制

市轨道交通研究，2004（1）：73-75，80.

[3]中铁二院工程集团有限责任公司.某铁路项目节能评估报

告[Z].

动能量吸收的差别，从而进行优化设计，设计最佳运行图，有助于降低线路的牵引能耗，进一步挖掘铁路节能减排的潜能。

［参考文献］

[1]侯笑冰，李宪文.高速电动车组制动系统分析[J].铁道机车

车辆，2004，24（1）：12-16.

[2]罗晓峥，沈祥林，张舟云.交流传动车辆电气制动综述[J].城

收稿日期：2019-06-25

作者简介：王利军（1981—），男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，研究方向：电力电子与电力传动，铁路节能评估，铁路机务、动车。

张彦栋（1992—），男，河南新乡人，助理工程师，研究方向：列车运行控制，铁路车辆。

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