理學(xué)PTCR壽命特性測(cè)試儀器設(shè)計(jì)

1、第一章 緒論1.1 引言?xún)x器儀表是人類(lèi)對(duì)物資世界的信息進(jìn)行測(cè)量、控制及有效利用的基本手段和設(shè)備，是信息產(chǎn)業(yè)的源頭和重要組成部分。儀器儀表的發(fā)展水平是國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。測(cè)試儀器儀表從單臺(tái)、單功能向智能式測(cè)試儀器（或稱(chēng)虛擬儀器、柔性?xún)x器）和系統(tǒng)發(fā)展是一個(gè)新的重要發(fā)展方向，他是計(jì)算機(jī)硬件、軟件、總線(xiàn)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)與儀器技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物1。當(dāng)前，我國(guó)在智能式系列測(cè)試儀器與智能系列自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化方面均有重大進(jìn)展。PTCR( Positive TemperatureCoefficientResistance)是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，其顯著特性是隨著溫度的升高其阻值陡然增

2、大，運(yùn)用此特性可應(yīng)用于溫度控制、過(guò)流過(guò)熱保護(hù)等場(chǎng)合2。PTCR性能包括:電阻-溫度，電流-時(shí)間、電壓-電流特性，電阻-頻率特性等。由于PTCR所具有的特殊功能，己在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了能更好地了解和使用PTCR，對(duì)PTCR的電特性進(jìn)行測(cè)試是必要的。1.2 PTCR的基本概念及應(yīng)用為了能更好地設(shè)計(jì)PTCR綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，必須對(duì)PTCR基本特性有深入的了解，從分析PTCR的基本概念入手，分析研究PTCR的特性。1.2.1 PTCR的基本概念熱敏電阻是開(kāi)發(fā)早、種類(lèi)多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料或者有機(jī)材料組成，利用的原理為溫度引起的電阻變化。目前得到普遍使用的PTCR按

3、材料可以分為陶瓷PTCR和有機(jī)PTCR，有機(jī)PTCR有價(jià)格低、常溫電阻小等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷PTCR有重復(fù)性好的特點(diǎn)，兩種PTCR各有優(yōu)缺點(diǎn).兩種PTC電阻有著不同的PTC效應(yīng)機(jī)理3。陶瓷PTC電阻：陶瓷PTCR的PTC效應(yīng)是由陶瓷基體中的晶界層產(chǎn)生，而晶粒本身并沒(méi)有PTC效應(yīng)。其PTC效應(yīng)的強(qiáng)度、常溫電阻值的大小和基體中的晶粒大小、種類(lèi)等都有一定的關(guān)系。有機(jī)PTC電阻：一般認(rèn)為是有機(jī)基體中摻雜的導(dǎo)電粒子聚集形成導(dǎo)電鏈，隨著溫度的升高導(dǎo)致導(dǎo)電鏈的斷裂或?qū)щ娏Ｗ訑U(kuò)散從而使有機(jī)PTC電阻的電阻變大，特別在有機(jī)晶體的熔融點(diǎn)附近，導(dǎo)電鏈的狀況急劇變化導(dǎo)致有機(jī)PTCR的電阻值也急劇上升顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。其

4、PTC效應(yīng)的強(qiáng)度、常溫電阻的大小和填充的碳粒的含量、大小、表面積以及在基體內(nèi)的分布情況等都有關(guān)系。1.2.2 PTCR的主要參數(shù)（1）額定零功率電阻零功率電阻，是指在某一溫度下測(cè)量PTC熱敏電阻值時(shí)，加在PTC熱敏電阻上的功耗極低，低到因其功耗引起的PTC熱敏電阻的阻值變化可以忽略不計(jì)。額定零功率電阻指環(huán)境溫度25條件下測(cè)得的零功率電阻值。（2）最小電阻指PTC熱敏電阻可以具有的最小的零功率電阻值。（3）居里溫度對(duì)于PTC熱敏電阻的應(yīng)用來(lái)說(shuō),電阻值開(kāi)始陡峭地增高時(shí)的溫度是重要的，我們將其定義為居里溫度。（4）溫度系數(shù)PTC熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化導(dǎo)致的電阻的相對(duì)變化。溫度系數(shù)越大，PT

5、C熱敏電阻對(duì)溫度變化的反應(yīng)越靈敏。（5）表面溫度表面溫度是指當(dāng)PTC熱敏電阻在規(guī)定的電壓下并且與周?chē)h(huán)境間處于熱平衡狀態(tài)已達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí),PTC熱敏電阻表面的溫度。（6）動(dòng)作電流流過(guò)PTC熱敏電阻的電流，足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過(guò)居里溫度,這樣的電流稱(chēng)為動(dòng)作電流。動(dòng)作電流的最小值稱(chēng)為最小動(dòng)作電流。（7）動(dòng)作時(shí)間環(huán)境25條件下，給PTC熱敏電阻加一個(gè)起始電流(保證是動(dòng)作電流)，通過(guò)PTC熱敏電阻的電流降低到起始電流的50%時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間就是動(dòng)作時(shí)間。（8）不動(dòng)作電流流過(guò)PTC熱敏電阻的電流，不足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過(guò)居里溫度，這樣的電流稱(chēng)為不動(dòng)作電流。不動(dòng)作電流的最大值稱(chēng)為最大不動(dòng)作電

6、流。（9）最大電流最大電流是指PTC熱敏電阻最高的電流承受能力。超過(guò)最大電流時(shí)PTC熱敏電阻將會(huì)失效。（10）殘余電流殘余電流是在最大工作電壓下，熱平衡狀態(tài)下的電流。（11）最大工作電壓最大工作電壓是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，允許持續(xù)地保持在PTC熱敏電阻上最高的電壓。對(duì)同一產(chǎn)品而言,環(huán)境溫度越高，最大工作電壓值越低。（12）額定電壓額定電壓是在最大工作電壓Vmax以下的供電電壓。（13）擊穿電壓擊穿電壓是指PTC熱敏電阻最高的電壓承受能力.PTC熱敏電阻在擊穿電壓以上時(shí)將會(huì)擊穿失效。1.2.3 PTCR的特性介紹電阻-溫度特性：由于a度的升高導(dǎo)致PTCR內(nèi)部結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化，在PTCR材料的居里

7、點(diǎn)附近變化特別明顯。根據(jù)電阻一溫度曲線(xiàn)變化速度的不同，PTCR電阻可以分為緩變型和突變型。其中突變型根據(jù)居里點(diǎn)的不同又可以分為低居里點(diǎn)突變型和高居里點(diǎn)突變型（如圖1-1）。根據(jù)其特性的不同.應(yīng)用的場(chǎng)合也不同。利用PTCR的此特性可以用作過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)器件。圖1-1 PTC熱敏電阻的阻溫特性電流-時(shí)間特性：其電流隨時(shí)間呈指數(shù)形式衰減，衰減系數(shù)與電阻溫度系數(shù)成正比，與外加電壓、PTCR的熱容、元件的形狀和大小均有關(guān)系。利用PTCR的此特性可以用作消磁電阻。（如圖1-2）圖1-2 PTC熱敏電阻的電流時(shí)間特性電壓-電流特性：包括零功率伏一安特性、靜態(tài)伏一安特性等。通過(guò)靜態(tài)伏一安特性我們可以知道PTC

8、R在工作狀況下的情況，也有利于我們確定PTCR的工作點(diǎn)和適用條件。（如圖1-3）圖1-3PTC熱敏電阻的不同溫度下的伏安特性電阻-頻率特性：PTCR的電阻率不僅和外加的電壓大小有關(guān)，同時(shí)還與所加電壓的頻率有關(guān)。每加一次電壓PTC電阻就有一定的變化，合格的PTC電阻的變化范圍為±15。1.2.4 PTCR的典型應(yīng)用利用熱敏電阻器的阻溫特性，可以制成溫度開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)、變壓器、大功率晶體管等電路的過(guò)熱保護(hù)4。這種熱敏電阻多采用突變型的，并且要求有低的電阻率(以便減少對(duì)負(fù)載的影響)、大的溫度系數(shù)以保證良好的開(kāi)關(guān)特性)及高耐壓特性(以提高產(chǎn)品的可靠性)。PTC過(guò)電流保護(hù)元件可使用的應(yīng)用范

9、疇包括:冰箱、空調(diào)等家電的保護(hù)、手機(jī)電池、熱水器、微波爐、電暖器、工業(yè)儀表、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、飛機(jī)坦克、食品加工、揚(yáng)聲器、醫(yī)療儀器、糧食倉(cāng)庫(kù)、火災(zāi)報(bào)警、汽車(chē)水箱、電機(jī)、摩托車(chē)、電子、通信(包括程控電話(huà)交換機(jī))等。另外PTC元件的其他應(yīng)用如下：（1）用作恒溫加熱PTC熱敏電阻具有恒溫作用,當(dāng)PTC發(fā)熱元件通電時(shí),溫度較低,此時(shí)電阻小,功率很大,能迅速加熱,溫度逐漸上升到居里溫度時(shí),由電阻2溫度曲線(xiàn)可知, 電阻急劇增大,可達(dá)37個(gè)數(shù)量級(jí)(103107倍)。此時(shí)在恒壓作用下通過(guò)元件的電流則減小, 相應(yīng)元件溫度亦降低,于是電阻值減小。而這時(shí),由于電阻的減小又導(dǎo)致通過(guò)熱敏電阻元件的電流增大,元件溫度升

10、高,電阻增大,從而使電流又開(kāi)始減小。這樣,通過(guò)重復(fù)上述過(guò)程,元件本身就起到了自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的作用。因?yàn)镻TC元件具有自然壽命長(zhǎng)、自動(dòng)恒溫、無(wú)明火、高可靠性、節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。（2）用作自動(dòng)開(kāi)關(guān)利用PTC 熱敏電阻的電流-時(shí)間特性,可將其用作啟動(dòng)開(kāi)關(guān)使用,如壓縮機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)電路、無(wú)觸點(diǎn)繼電器等。在壓縮機(jī)啟動(dòng)電路中,因PTC元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)運(yùn)動(dòng)零件,無(wú)噪聲,可靠性好,對(duì)電壓波動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng),對(duì)壓縮機(jī)的匹配范圍廣,壽命長(zhǎng),啟動(dòng)時(shí)間短,工作安全,因此逐步取代了電流型重力式啟動(dòng)繼電器。（3）用作電機(jī)或電器設(shè)備的保護(hù)器電機(jī)損壞的原因,經(jīng)常是超負(fù)荷、斷相或者電機(jī)的傳動(dòng)部分發(fā)生機(jī)械故障,造成電機(jī)繞組發(fā)熱,溫度升

11、高到超過(guò)電機(jī)的最高允許溫度?？梢?jiàn), 各種原因最終歸結(jié)為發(fā)熱,因此可以利用對(duì)溫度變化高靈敏度的PTC 熱敏電阻作過(guò)熱保護(hù)元件,采用開(kāi)關(guān)型的正溫度系數(shù)的PTC熱敏電阻更好。因?yàn)檫@種PTC 熱敏電阻的電阻2溫度特性在居里溫度以下時(shí),電阻值隨溫度變化小,超過(guò)這一溫度時(shí)阻值急劇上升,具有開(kāi)關(guān)的特性, 更適用于作保護(hù)電器。1.3 PTCR特性測(cè)試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀關(guān)于PTCR特性測(cè)試設(shè)備可分為兩部分，一是測(cè)試PTCR材料本身的，二是對(duì)PTCR性能的測(cè)試。對(duì)前者材料科學(xué)有許多專(zhuān)門(mén)測(cè)試設(shè)備.在此我們不加以論述。本文所研究的PTCR測(cè)試設(shè)備指的是PTCR產(chǎn)品特性測(cè)試儀器或者是PTCR材料封裝成PTCR器件特性測(cè)試設(shè)

12、備。隨著PTCR應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了許多PTCR生產(chǎn)的廠家，為了能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，必須進(jìn)行產(chǎn)品性能測(cè)試。PTC熱敏電阻由于自己特殊的性質(zhì)，在40多年的發(fā)展中，取得了廣泛的應(yīng)用，特別是近年來(lái)，隨著彩電、電冰箱等家用電器的普及，對(duì)PTCR需求量猛增。熱敏電阻是開(kāi)發(fā)早、種類(lèi)多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起的電阻變化。因此可以測(cè)量電導(dǎo)來(lái)推算出溫度的高低。PTCR的壽命就決定產(chǎn)品的的使用期限。因此，PTCR的壽命特性測(cè)試是生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的一部分。目前，由于缺乏優(yōu)良性能價(jià)格比的PTCR性能專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備，大部分生產(chǎn)廠家采用人工測(cè)試方法.通常采用普通高精

13、度萬(wàn)用表進(jìn)行電阻測(cè)量，普通溫度計(jì)對(duì)一些溫度點(diǎn)進(jìn)行阻溫特性測(cè)試這些傳統(tǒng)方法，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)而且需要人工直接參與5。費(fèi)時(shí)，精度也不高。特別是在進(jìn)行動(dòng)作特性和不動(dòng)作特性測(cè)試時(shí)，還需要配備其他輔助設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)特性測(cè)試，這樣提高了測(cè)試設(shè)備的投入。由于PTCR的電特性比較復(fù)雜，采用普通儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)試比較煩瑣，速度很慢且不利于進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，或者測(cè)試時(shí)需要大量人工進(jìn)行參與，在進(jìn)行少量的測(cè)試時(shí)這種方法是可以采用的。但隨著市場(chǎng)需求的擴(kuò)大.對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求相應(yīng)提高。采用原始的通用儀器設(shè)備測(cè)試方法已不能滿(mǎn)足要求，這就要求我們研制專(zhuān)用PTCR測(cè)試設(shè)備，力求節(jié)省人力財(cái)力資源，提高測(cè)試精度和速度。眾所周知，PTC元件在通電瞬

14、間，電阻值很小，從而有較大的電流通過(guò)，在溫度超過(guò)元件的居里點(diǎn)后，電阻急劇上升，電流也隨之減小，然后漸漸穩(wěn)定。壽命測(cè)試儀就是利用電阻這一特性。1.4 小結(jié)本章節(jié)詳細(xì)介紹了PTCR的發(fā)展現(xiàn)狀以及PTCR的幾種基本特性和應(yīng)用狀況。介紹了此次課題設(shè)計(jì)的重要性和必要性。第二章PTCR壽命特性測(cè)試儀基本原理2.1 PTCR工作原理PTC熱敏電阻(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，一旦超過(guò)一定的溫度(居里溫度)時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高幾乎是呈階躍式的增高。PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過(guò)PTC熱敏電阻的電流來(lái)獲得，也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來(lái)獲得。陶瓷材料通常用作高電阻

15、的優(yōu)良絕緣體，而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過(guò)有目的的摻雜一種化學(xué)價(jià)較高的材料作為晶體的點(diǎn)陣元來(lái)達(dá)到的：在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價(jià)的離子所替代,因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子。對(duì)于PTC熱敏電阻效應(yīng),也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上，即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢(shì)壘，阻礙電子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中去，因此而產(chǎn)生高的電阻。這種效應(yīng)在溫度低時(shí)被抵消：在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢(shì)壘的形成并使電子可以自由地流動(dòng)。而這種效應(yīng)在高溫時(shí)，介電常數(shù)和極化

16、強(qiáng)度大幅度地降低，導(dǎo)致勢(shì)壘及電阻大幅度地增高，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。2.2 PTCR壽命特性測(cè)試儀主要技術(shù)指標(biāo)該測(cè)試儀各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)如下：環(huán)境條件：工作溫度范圍-1040儀器電源：市電(220VAC  5060Hz)沖擊電流：0.510A沖擊次數(shù)（工作周期數(shù)）：105（可設(shè)定）樣品工位數(shù)：10個(gè)限流電阻RL： 9樣品順序通電、斷電時(shí)間間隔：0.5秒、1.0秒、2.0秒、4.0秒通、斷電壓時(shí)間：均為99小時(shí)范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)順序加電壓指示：綠色LED產(chǎn)品檢測(cè)不合格指示：紅色LED2.3 測(cè)試儀的基本原理由于PTCR熱敏電阻的熱開(kāi)關(guān)特性，其特點(diǎn)是常溫電阻低，加壓（220V）瞬間沖擊電流很

17、大（幾安培幾十安培），加電后由于元件自熱升溫，導(dǎo)致阻值迅速增加，而流過(guò)樣品的電流迅速衰減。采用常用加壓方法，如果一次加壓的樣品數(shù)量多，其初始電流非常大，容易引起供電設(shè)備的損壞，為此必須采用順序加壓的方式提高檢測(cè)效率。據(jù)此，測(cè)試儀的工位數(shù)為十只。啟動(dòng)時(shí)斷電器閉合，10路元件依次加上電壓，間隔時(shí)間為1s，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的通電時(shí)間后，電壓時(shí)動(dòng)作執(zhí)行繼電器K是依次斷開(kāi)。雖然每個(gè)元件加電壓的時(shí)刻不一樣，但我們采用先加壓先斷開(kāi)，后加壓后斷開(kāi)的辦法，仍保證了每一元件的加電壓、斷電壓時(shí)長(zhǎng)是一樣的。斷電時(shí)間到后沖擊次數(shù)加一，且儀器開(kāi)始下一次沖擊，直到達(dá)到予設(shè)置的沖擊次數(shù)后自動(dòng)停止測(cè)試。通斷電時(shí)間及沖擊次數(shù)均設(shè)置可調(diào)

18、。對(duì)元件的加電過(guò)程是順序加電，而斷電則為同時(shí)，也就是說(shuō)第一個(gè)待測(cè)樣品和第十個(gè)待測(cè)樣品加電時(shí)間在一個(gè)周期內(nèi)相差9S，當(dāng)沖擊次數(shù)上1000次甚至更多時(shí)，樣品之間的加電時(shí)間相差很遠(yuǎn)，由此可能帶來(lái)很大的測(cè)量誤差，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，當(dāng)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率較低時(shí)，由于每一樣品回路靠保險(xiǎn)絲保護(hù)，當(dāng)某一樣品擊穿后，由于保險(xiǎn)絲的熔斷特性，不僅使樣品燒毀，而且使固定測(cè)試樣品的夾具燒毀。，測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)明火導(dǎo)致測(cè)試的安全性大大降低，且失效樣品通道沒(méi)有指示。如果中途全部樣品擊穿，儀器也要繼續(xù)測(cè)試直至沖擊次數(shù)達(dá)到設(shè)定值（除非人工停止）。因此，每一測(cè)試回路都有擊穿（過(guò)電流）保護(hù)電路，確保當(dāng)一路樣品擊穿時(shí)該電路起保

19、護(hù)作用，僅將該測(cè)試回路斷開(kāi)而不影響其余回路的測(cè)試工作，同時(shí)對(duì)測(cè)試夾具進(jìn)行保護(hù)，無(wú)須頻繁地更換保險(xiǎn)和夾具，從而使測(cè)試效率大大提高，且測(cè)試成本降低。由兩個(gè)比較器組成的測(cè)試PTCR阻值變化范圍部分中，兩比較器的基準(zhǔn)電壓要求可調(diào)，我們我們使用運(yùn)算放大器來(lái)組成可調(diào)電壓源電路。MCS-51系列單片機(jī)通過(guò)外接8255擴(kuò)展I/O口，對(duì)多個(gè)繼電器操作實(shí)現(xiàn)10工位的測(cè)試過(guò)程。測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)ADC0809傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)傳來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷電阻變化范圍是否在操作所設(shè)定的范圍內(nèi)，如果不是則說(shuō)明此PTCR產(chǎn)品不合格，單片機(jī)將此PCTR的工位號(hào)送到LED顯示，并報(bào)警。2.4 小結(jié)本章節(jié)初步介紹了PTCR壽命特性測(cè)試

20、儀的基本原理，提出了測(cè)試儀應(yīng)該具備的基本參數(shù)，提出了設(shè)計(jì)的初步思想以及設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的問(wèn)題第三章 PTCR壽命特性測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成硬件系統(tǒng)的主要部分由控制按鍵、AT89C51單片機(jī)、比較器模塊、8255I/O擴(kuò)展芯片、LED指示燈組模塊、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成。硬件組成原理如圖3-1：時(shí)鐘電路復(fù)位電路80518255I/O擴(kuò)展比較器模塊8279芯片ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊待測(cè)產(chǎn)品組鍵盤(pán)顯示圖3-1 硬件原理圖3.2 單片機(jī)的選取及原理單片微型計(jì)算機(jī)是指集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)，也就是把組成微型計(jì)算機(jī)的各種功能部件，包括CPU（Central Processin

21、g Unit）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）、只讀存儲(chǔ)器ROM（Read-only Memory）、基本輸入/輸出(Input/Output)接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等部件都制作在一塊集成芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)的基本功能6。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，特別適用于工業(yè)控制及數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合，同時(shí)也因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于：測(cè)試系統(tǒng)、智能儀表、機(jī)電一體化產(chǎn)品、功能集散系統(tǒng)和并行多控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，所以必須先充分了解單片機(jī)的特點(diǎn)以及選擇一

22、款適合的單片機(jī)型號(hào)。3.2.1 80C51系列單片機(jī)的特點(diǎn)80C51系列單片機(jī)是在美國(guó)INTEL公司于20世紀(jì)80年代推出的MCS-51系列高性能8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，他在單一芯片內(nèi)集成了并行I/O口、異步串行口、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、片內(nèi)RAM和片內(nèi)ROM以及其他一些功能部件?，F(xiàn)在80C51系列單片機(jī)已有許多品種，不同公司推出的80C51具有各自的功能特點(diǎn)；但它們的內(nèi)核都是以Intel公司的MCS-51為基礎(chǔ)，并且指令系統(tǒng)兼容，從而給用戶(hù)帶來(lái)了廣闊的選擇范圍，同時(shí)又可以采用相同的開(kāi)發(fā)工具。80C51系列單片機(jī)可分為無(wú)片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)于無(wú)片內(nèi)ROM型的芯片

23、，必須外接EPROM才能應(yīng)用。80C51系列單片機(jī)在存儲(chǔ)器的配置上采用程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，利用不同的指令和尋址方式進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，可分別尋址64KB的程序存儲(chǔ)器空間和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，充分滿(mǎn)足工業(yè)測(cè)量控制的需要。80C51系列單片機(jī)共有111條指令，包括乘除指令和位操作指令。中斷源有5個(gè)（8032/8052為6個(gè)），分為2個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的。ROM型80C51在單芯片應(yīng)用方式下其4個(gè)并行I/O口都可以作為輸入/輸出使用，在擴(kuò)展方式下需要采用P0和P2口作為片外擴(kuò)展地址總線(xiàn)使用。80C51單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)全雙工的異步串行接口，可同時(shí)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，為單片機(jī)

24、之間的相互通信或與上位機(jī)通信帶來(lái)極大的方便。3.2.2 80C51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的典型芯片是8031、8051、8751。8051內(nèi)部有4KB ROM，8751內(nèi)部有4KB EPROM，8031內(nèi)部無(wú)ROM；除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。因此，以8051為例，說(shuō)明本系列單片機(jī)的內(nèi)部組成及信號(hào)引腳。8051單片機(jī)的基本組成請(qǐng)參見(jiàn)圖3-2。下面介紹各部分的基本情況。CPU（運(yùn)算器）（控制器）P1串行口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAMP0P2程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM特殊功能寄存器（SFR）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)P38888ALEPSENEARESETXTAL1XTAL2圖3-2MC

25、S-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（1）中央處理器（CPU）中央處理器是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。MCS-51的CPU能處理8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。（2）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM）8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，但其中后128單元被專(zhuān)用寄存器占用，能作為寄存器供用戶(hù)使用的只是前128單元，用于存放可讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)。因此通常所說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指前128單元，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)部RAM。（3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，因此，稱(chēng)之為程序存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)部ROM。（4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器8051共有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或

26、計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。（5）并行I/O口MCS-51共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。（6）串行口MCS-51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。（7）中斷控制系統(tǒng)MCS-51單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿(mǎn)足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個(gè)中斷源，即外中斷兩個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)。全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。（8）時(shí)鐘電路MCS-51芯片的內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。系

27、統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6 MHz和12 MHz。3.2.3 80C51單片機(jī)引腳說(shuō)明MCS-51系列單片機(jī)芯片為40條引腳，HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插（DIP）方式封裝，其引腳示意圖如圖3-3所示。各引腳功能說(shuō)明如下：（1）電源引腳VCC（40）接+5V電源正端。VSS（20）接+5V電源地端。（2）外接晶體引腳XTAL1（19）和XTAL2（18）兩端接石英晶體。（3）輸入/輸出引腳P0口（32-39）在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線(xiàn)和雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)。圖3-3 8051引腳圖P1口（1-8）可

28、以作為準(zhǔn)雙向I/O口使用。P2口（21-28）一般可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用，在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口且尋址范圍超過(guò)256字節(jié)，P2口用作高8位地址總線(xiàn)。P3口（10-17）除了作準(zhǔn)雙向I/O口使用外，還可以將每一位用于第二功能。P3口的第二功能如表3-1所示。表3-1 P3口第二功能引腳第二功能P3.0RXD 串行口輸入端P3.1TXD 串行口輸出端P3.2INT0 外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.3INT1 外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.4T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.5T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸出端，低電平有

29、效P3.7RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效（4）控制線(xiàn)引腳ALE/PROG（30）地址鎖存有效信號(hào)輸出端。ALE在沒(méi)個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈沖。在訪(fǎng)問(wèn)片外程序器期間，下降沿用于控制鎖存P0輸出的低8位地址；在不訪(fǎng)問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器期間，可作為對(duì)外輸出的始終脈沖或用于定時(shí)項(xiàng)目。PSEN（29）片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。RST/VPD（9）該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。VPP/EA（31） EA為片外程序存儲(chǔ)器選用端。該引腳有效（低電平）時(shí)，只選用片外程序存儲(chǔ)器，否

30、則單片機(jī)上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。綜上所述。MCS-51系列單片機(jī)的引腳可歸納為以下兩點(diǎn)：a 單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第二功能。b 單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)3總線(xiàn)形式，有P0、P2口組成16位地址總線(xiàn)；由P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線(xiàn)；由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10個(gè)引腳組成控制總線(xiàn)，由于是16位地址線(xiàn)，因此，可使片外存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到64KB。3.2.4 80C51單片機(jī)的復(fù)位電路MCS-51系列單片機(jī)有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方法7，上電復(fù)位是指加電瞬間，在RST引腳上出現(xiàn)大于10ms的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕

31、復(fù)位又可分為按鈕脈沖復(fù)位和按鈕電平復(fù)位。用戶(hù)按下“復(fù)位”按鈕使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是靠外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。幾種復(fù)位電路如圖3-4所示。圖3-4 各種復(fù)位電路3.2.5 80C51單片機(jī)時(shí)鐘電路8051芯片的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，在這個(gè)系統(tǒng)中我們采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，如圖3-5所示。圖3-5 單片機(jī)的兩種時(shí)鐘電路片內(nèi)高增益反相放大器通過(guò)XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的晶體與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激蕩器向內(nèi)部時(shí)鐘電路提出振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，在這里我們選用振蕩頻率為12MHz的晶體。電容C1、C2的值有微調(diào)作用，取30pF。3

32、.3 I/O口擴(kuò)展芯片8255的原理及電路設(shè)計(jì)Intel8255芯片是配合Intel微處理器而設(shè)計(jì)的通用可編程并行1/O接口器件，它能把外圍設(shè)備連到微型計(jì)算機(jī)總線(xiàn)上，通用性強(qiáng)，使用靈活，可以用程序來(lái)設(shè)置和改變芯片的工作方式，是一種典型的可編程并行接口芯片8。8255共有三種模式:基本的輸入/輸出(方式0)、有選通的輸入/輸出(方式1)和雙向總線(xiàn)輸入/輸出(方式2).在壽命特性測(cè)試儀器的硬件設(shè)計(jì)中因?yàn)橐紤]到要實(shí)現(xiàn)多工位測(cè)試的要求，所以?xún)H僅使用單片機(jī)的自身I/O口是不能滿(mǎn)足要求的，故需要利用8255芯片來(lái)擴(kuò)展I/O口，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需。3.3.1 8255 I/O擴(kuò)展芯片引腳8255芯片引腳圖如3

33、-6所示：除了電源(VCC)和地GND)以外，其它引腳信號(hào)可分為兩組:（1）和外設(shè)一邊相連的l PA7-PA0 端口A的數(shù)據(jù)信號(hào)，根據(jù)工作方式A口可工作于輸入、輸出方式或雙向方式。l PB7-PBO端口B的數(shù)據(jù)信號(hào)，根據(jù)工作方式B口可工作于輸入或輸出方式，但端口B不能工作在雙向方式。l PC7-PC0 端口C的數(shù)據(jù)信號(hào)，根據(jù)工作方式C口的數(shù)據(jù)線(xiàn)可作為輸入/輸出線(xiàn)、控制線(xiàn)和狀態(tài)線(xiàn)。圖3-6 8255引腳圖（2）和CPU一邊相連的l RESET 復(fù)位信號(hào)(高電平有效)，復(fù)位后，A口、B口、C口均被自動(dòng)設(shè)為輸入方式，同時(shí)所有內(nèi)部寄存器/鎖存器都被清零。l D7-D0雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)，和系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連，

34、用來(lái)讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)和控制字。片選信號(hào)(低電平有效)，只有當(dāng)有效信號(hào)到來(lái)時(shí)，讀信號(hào)RD和寫(xiě)信CS號(hào)WR才對(duì)8255有效。l CS片選信號(hào)(低電平有效)，只有當(dāng)有效信號(hào)到來(lái)時(shí)，讀信號(hào)RD和寫(xiě)信號(hào)WR才對(duì)8255有效。l RD 芯片讀信號(hào)(低電平有效)，當(dāng)RD有效時(shí)，CPU可以從8255中讀取輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)字。l WR 芯片寫(xiě)信號(hào)(低電平有效)，當(dāng)WR有效時(shí)，CPU可以往8255中寫(xiě)入控制字或數(shù)據(jù)。l A1與A0端口選擇線(xiàn)。8255內(nèi)部有3個(gè)數(shù)據(jù)端口(A.B.C口)和一個(gè)控制端口，規(guī)定當(dāng)Al. A0為00時(shí)，選中A口;為01時(shí)，選中B口;為10時(shí)，選中C口;為11時(shí)，選中控制口。3.3.2 8255 I

35、/O擴(kuò)展芯片結(jié)構(gòu)8255的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-7所示：數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器讀/寫(xiě)控制邏輯B組控制A組控制A口B口C口上半部分C口下半部分D7D0RDWRA0A1RESETCSPA7PA0PC7PC4PC3PC0PB7PB0圖3-7 8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可以看出，8255由外設(shè)接口、A組和B組控制、讀/寫(xiě)控制電路和數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器四部分組成。（1）外設(shè)接口8255有A、B、C三個(gè)端口，每個(gè)端口都是8位的，都可以通過(guò)編程選擇作為輸入或者輸出，但是每個(gè)端口都有自己的特點(diǎn)。A口：有一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器和一個(gè)8位的輸出鎖存/緩沖器。端口A不管用做輸入還是輸出，數(shù)據(jù)均受到鎖存。B口：有一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖和一

36、個(gè)8位的輸出鎖存/緩沖器。斷口B用作輸入時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)受到鎖存，用作輸出時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)受到鎖存。C口：有一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器和一個(gè)位的輸出鎖存/緩沖器。端口C用作輸入時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)受到鎖存，用作輸出，數(shù)據(jù)會(huì)受到鎖存。（2）A組和B組控制8255的3個(gè)端口除了可以分別單獨(dú)使用之外，還可以分成兩組使用，分別成為A組和B組。這時(shí)A口和B口作為獨(dú)立的輸入和輸出端口，而C口被分成兩個(gè)4為端口，分別用來(lái)作為A口和B口的輸出控制信號(hào)和輸入狀態(tài)信號(hào)。A組控制電路控制A口和C口的高4位（PC7-PC4）的工作方式。B組控制電路控制B口和C口的低4位（PC3-PC0）的工作方式。（3）讀/寫(xiě)控制電路讀/寫(xiě)控制電路復(fù)雜

37、管理8255的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。他接收CS和來(lái)自系統(tǒng)地址總線(xiàn)的信號(hào)A1、A0以及來(lái)字控制總線(xiàn)的信號(hào)RESET、WR、RD，將這些信號(hào)組合之后，得到對(duì)A組控制部件和B組控制部件的控制命令，并將命令發(fā)送給這兩個(gè)部件，以完成催數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和控制信息的傳輸。（4）數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器這是一個(gè)雙向三態(tài)的8位數(shù)據(jù)緩沖器，8255正是通過(guò)它與系統(tǒng)總線(xiàn)相連。輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)和命令都是通過(guò)該緩沖器傳遞的。3.3.3 8255 的工作方式（1）工作方式0 工作方式0是一種基本輸入/輸出工作方式。這種方式?jīng)]有固定的用于應(yīng)答的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，也不使用中斷，這種工作方式對(duì)三個(gè)端口都有效，所具有的功能為：三個(gè)端口可由程序設(shè)置為輸入或

38、者輸出；輸出帶鎖存功能，輸入不帶鎖存功能；通過(guò)簡(jiǎn)單的輸入/輸出指令對(duì)三個(gè)端口任意一個(gè)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。（2）工作方式1工作方式1是一種選通式輸入/輸出方式。這種工作方式必須帶有一些控制聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用選通信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選通，再進(jìn)行輸入/輸出操作，這種工作方式對(duì)PA口和PB口有效，所具有的功能為：三個(gè)端口分成A組、B組兩組；每一組含有一個(gè)8位數(shù)據(jù)口和一個(gè)4位與之配套控制/狀態(tài)端口；輸入、輸出均帶有鎖存功能。這種工作方式常用作外設(shè)設(shè)備與CPU之間構(gòu)成一個(gè)中斷式暫態(tài)輸入/輸出接口。（3）工作方式2工作方式2是一種雙向傳送的方式，必須帶有一些控制聯(lián)絡(luò)信號(hào)，通過(guò)工作方式2可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)并行通信，這種工作方式僅對(duì)P

39、A口有效，所具有的功能為：一個(gè)8位雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出端口PA口和一個(gè)5位與之配套控制/狀態(tài)口；輸入輸出均帶鎖存功能。這種工作方式，常用作雙CPU之間構(gòu)成一種查詢(xún)或中斷式的雙機(jī)并行通信。3.3.4 8255與單片機(jī)接口技術(shù)8255與單片機(jī)（8051）連接接口圖如圖3-8所示：圖3-8 8255與80C51單片機(jī)的接口電路圖中8255的RESET、WR、RD分別與8051的RST、WR、RD引腳相連接數(shù)據(jù)口連8051的P0口。8255的片選信號(hào)CS連到8051的P2.7。端口地址選擇信號(hào)A1、A0由P0.1、P0.0經(jīng)74LS373鎖存后提供。根據(jù)線(xiàn)選法，該電路中8255的PA、PB、PC以及控制

40、口的地址分別是7FFCH、7FFDH、7FFEH、7FFFH。3.4 AD轉(zhuǎn)換芯片與MCS-51單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)ADC（Analog Digital Converter）的功能是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換為與其成比例的數(shù)字量9。它是智能化測(cè)量控制儀表的一種重要組成器件。按其工作原理，有比較式ADC、積分式ADC以及電荷平衡式ADC等。（1） AD轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)a 分辨率分辨率通常用二進(jìn)制的位數(shù)表示，它表示對(duì)滿(mǎn)量程的1/2n的增量作出反應(yīng)。b 量程量程即能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。c 精度精度含有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。絕對(duì)精度就是指任何數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想電壓值之差的最大值。相對(duì)精度就是

41、指任何數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想電壓值之差的最大值占輸入模擬電壓的百分比。 d 轉(zhuǎn)換時(shí)間完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，又稱(chēng)孔徑時(shí)間。e 輸出邏輯電平一般與TTL電平配合。f 輸出代碼一般輸出為二進(jìn)制碼，也有BCD碼及段碼輸出方式。g 工作溫度范圍在一定的溫度范圍內(nèi)才能保持額定精度標(biāo)準(zhǔn)。h 對(duì)基準(zhǔn)電壓要求考慮是否外接精密基準(zhǔn)電源。在本系統(tǒng)中采用的是ADC0809芯片，ADC0809分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100微秒，誤差范圍為±1/2±1，模擬輸入范圍為0+5V，數(shù)字電平輸出為T(mén)TL電平，工作電壓為+5V。3.4.1 AD轉(zhuǎn)換芯片引腳ADC0809的引腳圖如圖3-9所

42、示。ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的引腳功能：IN0IN7：8路模擬量輸入。A、B、C：3位地址輸入，2個(gè)地址輸入端的不同組合選擇八路模擬量輸入。ALE:地址鎖存啟動(dòng)信號(hào)，在ALE的上升沿，將A、B、C上的通道地址鎖存到內(nèi)部的地址鎖存器，并經(jīng)地址譯碼得到地址輸出，可以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。D0D7：八位數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線(xiàn)傳送給單片機(jī)。OE：允許輸出信號(hào)。當(dāng)OE=1時(shí)，即為高電平，允許輸出鎖存器輸出數(shù)據(jù)。START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)輸入端，START為正脈沖，其上升沿清除ADC0808的內(nèi)部的各寄存器，其下降沿啟動(dòng)A/D開(kāi)始轉(zhuǎn)換。圖3-9 ADC0809引腳圖EOC：轉(zhuǎn)換完成信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始

43、時(shí)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)變高，變高時(shí)將轉(zhuǎn)換結(jié)果打入三態(tài)輸出鎖存器。如果將EOC和START相連，加上一個(gè)啟動(dòng)脈沖則連續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。CLK：時(shí)鐘輸入信號(hào)，0809的時(shí)鐘頻率范圍在101200kHz，典型值為640kHz。VREF（+）：正基準(zhǔn)電壓輸入端。VREF（-）：負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端。通常將VREF（+）+5V，VREF（-）接地。VCC：電源電壓，可從+5V+15V。3.4.2 AD轉(zhuǎn)換芯片原理ADC0809是一種較為常用的8路模擬量輸入，8位數(shù)字量輸出的逐次比較式ADC芯片，圖3-10為ADC0809的原理結(jié)構(gòu)圖。芯片的主要部分是一個(gè)8位的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器、8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器

44、和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。芯片能夠?qū)Χ嗦纺M信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。8位模擬開(kāi)關(guān)地址鎖存與譯碼器8位A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存緩沖器IN7IN0ALEADDAADDBADDCSTART EOC CLKDB7DB0VREF（+）VREF（-）圖3-10 ADC0809原理圖ADC0809的主要性能參數(shù)：（1） 分辨率為8位（2） 最大不可調(diào)誤差小于±LSB（3） 輸入電壓范圍0+5V，通過(guò)外接電阻可實(shí)現(xiàn)雙極性輸入（4） 具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)（5） 單一的+5V電源（6） 輸出為二進(jìn)制編碼與TTL電平兼容（7） 功耗為15mW（8） 轉(zhuǎn)換時(shí)間取

45、決于外部時(shí)鐘頻率、外部時(shí)鐘頻率范圍為101280KHz，當(dāng)頻率為500KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為128微秒。（9） 不必進(jìn)行調(diào)零和調(diào)滿(mǎn)量程3.4.3 ADC0809與8051的接口技術(shù)ADC與8051的接口電路如圖3-11所示：圖中所示的為ADC0809與單片機(jī)8051的一種接口電路。采用線(xiàn)選法規(guī)定其端口地址，用單片機(jī)的P2.7作片選信號(hào)，P2.0、P2.1、P2.2連接ADDA、ADDB、ADDC作通道選擇信號(hào)，因此端口地址為70FFH。圖3-11 ADC0809與8051的接口電路片選信號(hào)WR信號(hào)一起經(jīng)“或非”門(mén)產(chǎn)生ADC0809的啟動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存信號(hào)ALE，片選信號(hào)與RD信號(hào)經(jīng)“或

46、非”門(mén)產(chǎn)生ADC0809輸出允許OE。OE=1時(shí)選通三態(tài)門(mén)使輸出鎖存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入數(shù)據(jù)總線(xiàn)。ADC0809的EOC信號(hào)經(jīng)反相后接到8051的INT0引腳用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換完成的中斷請(qǐng)求信號(hào)。3.5 8279可編程鍵盤(pán)/顯示芯片電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)輸入及顯示輸出是智能化測(cè)量控制儀表不可缺少的組成部分10。為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，少占用它的工作時(shí)間，目前已經(jīng)出現(xiàn)了專(zhuān)供鍵盤(pán)及顯示器接口用的的可編程接口芯片。Intel公司生產(chǎn)的8279可編程鍵盤(pán)/顯示接口芯片就是較為常用的一種。3.5.1 8279的工作原理和芯片引腳8279分為兩個(gè)部分：鍵盤(pán)部分和顯示部分。鍵盤(pán)部分：能夠提供64按鍵陣列（可擴(kuò)展為128）的掃描

47、接口，也可以接傳感器陣列。鍵的按下可以是雙鍵鎖定或N鍵互鎖。鍵盤(pán)輸入經(jīng)過(guò)反彈電路自動(dòng)消除前后沿按鍵抖動(dòng)影響之后，被選通送入一個(gè)8字符的FIFO（先進(jìn)先出棧）存儲(chǔ)器。如果送入的字符多于8個(gè)，則益處狀態(tài)置位。按鍵輸入后將中斷輸出線(xiàn)升高電平向CPE發(fā)出中斷申請(qǐng)。顯示部分：對(duì)7段LED或其他期間提供顯示接口。8279有個(gè)內(nèi)部的16×8顯示RAM，組成一對(duì)16×4存儲(chǔ)器，顯示RAM可由CPU寫(xiě)入或讀出。顯示方式有從右進(jìn)入的計(jì)算器方式和從左進(jìn)入的電傳打字方式。顯示RAM每次讀/寫(xiě)之后，其地址自動(dòng)加一。芯片各顯示接口的管腳和管腳功能如圖3-12所示。圖3-12 8279引腳排列圖DB0D

48、B7：8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總相連，用CPU和8279間的數(shù)據(jù)/命令傳送。CS：片選信號(hào)CS=0時(shí)，CPU讀寫(xiě)有效，8279被選中。WR：WR=0 ，CPU控制信號(hào)有效,控制8279寫(xiě)操作。A0：數(shù)據(jù)選擇輸入線(xiàn)，A=0，CPU讀出為數(shù)據(jù)；A=1，CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)為命令字，讀出數(shù)據(jù)為狀態(tài)字。BD：消隱輸出線(xiàn)。BD=0有效。在切換顯示數(shù)據(jù)或使用消令時(shí)，該信號(hào)將顯示器熄滅。CLK：外部時(shí)鐘信號(hào)輸入線(xiàn)。8279通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器將該信號(hào)變?yōu)閮?nèi)部時(shí)鐘。內(nèi)部時(shí)鐘頻率的高低直接決定顯示器的掃描時(shí)間，通常與編程設(shè)置為100 Hz，此時(shí)，每位顯示數(shù)碼管的選通時(shí)間為0.64ms，設(shè)定顯示字符8位和16位時(shí)，顯示掃描周期

49、分為5.1ms和10.2ms。OUTA0OUTA3：A組顯示數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)。OUTB0OUTB3：B組顯示數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)。兩組數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)可獨(dú)立使用,也可合并使用。合并使用時(shí)OUTA3為最高位，OUTB0為最低位。SL0SL3：掃描輸出線(xiàn)。有2種工作方式，即譯碼(4選10)和編碼(16選1)輸出。方式選擇可通過(guò)編程設(shè)定。RL0RL7 (回復(fù)線(xiàn))：輸入線(xiàn)。它們是鍵盤(pán)矩陣或傳感器矩陣的列或行信號(hào)輸入線(xiàn)。3.5.2 8279與8051單片機(jī)的接口電路8279與8051單片機(jī)接口電路原理如圖3-13所示。圖3-13 8279與8031單片機(jī)接口電路原理圖中所示是8031/8051單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的鍵盤(pán)顯示驅(qū)動(dòng)電路

50、. 8279的A、B口顯示數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)分別與2個(gè)7447譯碼/驅(qū)動(dòng)器的輸入端相連。SL0SL3掃描輸出線(xiàn)接在38線(xiàn)譯碼74LS138的輸入端，輸出經(jīng)8位驅(qū)動(dòng)電路后，每位同時(shí)驅(qū)動(dòng)2位七段數(shù)碼管。因此該電路可同時(shí)驅(qū)動(dòng)16路七段十進(jìn)制數(shù)碼管。圖中74LS47的消隱輸入BI端與8279的BD端連，當(dāng)8279的顯示數(shù)據(jù)切換時(shí)，BD端輸出低電平，使74LS47的輸出均為低電平，將顯示熄滅。由于74LS47的輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA，能直驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管。位驅(qū)動(dòng)的實(shí)用電路很多，通常采用集成元件組成。來(lái)自RL0RL7的8根回復(fù)線(xiàn)的回復(fù)信號(hào)，由回復(fù)緩沖器并鎖存。在鍵盤(pán)工作方式中，回復(fù)線(xiàn)作為行列式鍵盤(pán)的行列輸入線(xiàn)。在

51、逐行列掃描時(shí)，回復(fù)線(xiàn)用來(lái)搜索每一行列中閉合的鍵。當(dāng)某一鍵閉合時(shí)，去抖電路被置位，延時(shí)等待10ms后，再檢驗(yàn)該鍵是否繼續(xù)閉合，并將該鍵的地址、控制狀態(tài)一起形成鍵盤(pán)數(shù)據(jù)被送8279內(nèi)部FIFO(先進(jìn)先出)存儲(chǔ)器，即是8279的IRQ端。鍵盤(pán)數(shù)據(jù)格式為：D7控制、D6移位、D5D3掃描、D2D0回復(fù)。控制和移位(D7、D6)的狀態(tài)由兩個(gè)獨(dú)立的附加開(kāi)關(guān)決定，而掃描(D5、D4、D3 )和回復(fù)(D2、D1、D0)是被按鍵置位的數(shù)據(jù)。3.5.3 LED顯示器的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用8位的LED顯示器，LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器件。我們用七段發(fā)光二極管來(lái)顯示一位，采用共陰極連接。共陰極LED顯示器

52、的發(fā)光二極管陰極接地，當(dāng)二極管陽(yáng)極為高點(diǎn)平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。管腳輸入不同的8位二進(jìn)制來(lái)顯示不同的字符。把輸入的二進(jìn)制碼叫做段選碼。共陰極的段選碼如表3-2所示。LED的顯示方式又分為靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式兩種，由于N位態(tài)顯示要求有N*8根I/O口線(xiàn)，占用I/O口太多，我們采用動(dòng)態(tài)顯示方式，按照給定的掃描頻率輪流選通每個(gè)數(shù)碼顯示位，掃描信號(hào)由8279提供。表3-2 七段LED的段選碼顯示的字符共陰極段選碼顯示的字符共陰極段選碼03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH3.6 PTCR阻值變化測(cè)試部分電路設(shè)計(jì)根據(jù)壽命特性測(cè)試儀的參數(shù)要求，測(cè)試儀的工位數(shù)為

53、十只，測(cè)試部分電路圖如所示。十路測(cè)試位按順序給待測(cè)PTCR加220V電壓，加電壓時(shí)間由單片機(jī)通過(guò)繼電器控制。加電壓后，單片機(jī)給繼電器信號(hào)斷開(kāi)沖擊電壓網(wǎng)絡(luò)，將測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通，開(kāi)始測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)傳給比較器模塊。如果變化范圍超過(guò)設(shè)定的基準(zhǔn)范圍，比較器將給信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。3.6.1 比較器模塊設(shè)計(jì)電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒幅與比較的電路11，是組成非正弦波發(fā)生器發(fā)生電路的基本單元電路，在測(cè)量和控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。電壓比較器的輸出電壓U0與輸入電壓U1的函數(shù)關(guān)系一般用曲線(xiàn)來(lái)描敘，稱(chēng)為電壓傳輸特性。輸入電壓是模擬信號(hào)，而輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài)，不是高電壓UOH，就是低電平UOL

54、，用以表示比較的結(jié)果。使從UOH越變?yōu)閁OL，或者從UOL越變?yōu)閁OH的輸入電壓稱(chēng)為閥值電壓，或轉(zhuǎn)折電壓。電壓比較器有三種：?jiǎn)蜗薇容^器、滯回比較器和窗口比較器。本設(shè)計(jì)中采用應(yīng)用比較廣泛的單限比較器。比較器模塊由二個(gè)比較器組成雙限比較器，其中一個(gè)比較器用作上限，一個(gè)比較器用作下限。比較器模塊原理電路如圖3-15所示。A1A2D1DIODED2DIODER1R2DZURHURLU1UOUO1UO2圖3-15 雙限比較器模塊原理電路外加參考電壓URHURL，電阻R1、R2和穩(wěn)壓管DZ構(gòu)成限幅電路。當(dāng)輸入電壓U1大于URH時(shí)，必然大于URL，所以集成運(yùn)放A1的輸出UO1=+UOM，A2的輸出UO2=U

55、OM。使得二極管D1導(dǎo)通，D2截止，穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓UO=+UZ。當(dāng)U1小于URL時(shí)，必然小于URH，所以A1的輸出UO1=UOM ,A2的輸出UO2=+ UOM。因此D2導(dǎo)通，D1截止，DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，UO為+UZ。當(dāng)URLU1URH時(shí)，D1和D2均截止，穩(wěn)壓管截止，UO=0。在此設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)I/O的編程，控制繼電器的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)10個(gè)工位輪流測(cè)試待測(cè)PTC熱敏電阻在加高壓后的阻值變化。通過(guò)判斷阻值變化的情況來(lái)確定此PTC熱敏電阻是否符合要求，達(dá)到測(cè)試其壽命特性的目的。3.6.2 比較器基準(zhǔn)可調(diào)電壓電路電路原理圖如圖3-16所示。圖中D0為高精度的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓管

56、電阻R、R1的精度和穩(wěn)定性由輸出電壓U0的要求來(lái)決定，運(yùn)算放大器應(yīng)選擇低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低噪聲、低漂移的集成運(yùn)算放大器。圖3-16 可調(diào)電壓電路原理圖由運(yùn)算放大器的工作原理可知：從上式可以看出，只要參考電壓U1恒定值，是一定值，則輸出電壓U0是一穩(wěn)定值。改變的值就可得到不同的U0值，一般選定電阻R的值，改變R1，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在測(cè)試系統(tǒng)中通過(guò)改變滑片電阻的大小來(lái)調(diào)節(jié)比較器的基準(zhǔn)電壓，從而使測(cè)試的參數(shù)范圍可調(diào)，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。3.7 小結(jié)在此章節(jié)中詳細(xì)介紹了硬件的各部分的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)所選取的單片機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)論述，以及基于此單片機(jī)各種外圍電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)于設(shè)計(jì)的思想作了細(xì)節(jié)的補(bǔ)充。課題的設(shè)計(jì)采用分模塊設(shè)計(jì)，便于在電路出現(xiàn)了問(wèn)題時(shí)能第一時(shí)間的找出問(wèn)題解決問(wèn)題，也有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。第四章PTCR壽命特性測(cè)試儀抗干擾設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在電器產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的抗干擾問(wèn)題變得更為突出。目前，智能化控制系統(tǒng)在我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域己普遍應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室或干擾源較少的環(huán)境中應(yīng)用的這類(lèi)控制系統(tǒng)其可靠性基本上能夠滿(mǎn)足要求，而應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中的這類(lèi)控制系統(tǒng)則有些不盡人意。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)環(huán)境往往比較惡劣，干擾比較多，有些干擾會(huì)嚴(yán)重破壞程序或器件性能改變或嚴(yán)重?fù)p壞器件，甚至可能會(huì)涉及到經(jīng)濟(jì)效益和操作人員的生命安全。而且現(xiàn)在