【正文】 ..................................... 23 調(diào)試過程中的問題及解 決方案 ...................................................... 24 實(shí)物完成及實(shí)物調(diào)試 ................................................................................... 26 電路板實(shí)物測試結(jié)果 ........................................................................ 26 數(shù)碼管亮度不夠的解決方案 ............................................................ 26 數(shù)碼管閃爍的解決方案 .................................................................... 27 實(shí)際電阻測量及結(jié)果分析 ........................................................................... 29 實(shí)際測量的情況 ................................................................................ 29 測量結(jié)果與分析 ................................................................................ 29 系統(tǒng)存在的不足 ................................................................................ 30 第 5 章 全文總結(jié)及展望 ............................................................................................ 32 工作總結(jié) ....................................................................................................... 32 展望 ............................................................................................................... 32 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................ 34 致 謝 ...................................................................................................................... 35 附錄 1............................................................................................................................. 1 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 1 單通道 動態(tài) 數(shù)字 電阻測量儀 第 1 章 緒論 基于微處理芯片的 智能 儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成度越來越高，已經(jīng)可以在一塊芯片上同時集成 CPU、存儲器、定時器、計(jì)數(shù)器、并行和串行接口和A/D 轉(zhuǎn)換器等。 它是微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié) 晶，現(xiàn)已成為集成電路大家族中的重要成員 [1]。盡管單片機(jī)是從 1982 年才開始在我國應(yīng)用的，但它一經(jīng)上市便顯示出強(qiáng)大的生命力，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)市場并獲得廣泛應(yīng)用。這種超大規(guī)模集成電路芯片稱為 “單片微處理器 ”，也叫單片機(jī)。單片機(jī)的出現(xiàn)，對于科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大影響，同樣引起儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。以單片機(jī)為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，可以很容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，組成新一代的 “智能儀器 ”[2]。 單片機(jī)最大特點(diǎn)是單片化 [3]， 體 積大大減小 、 功耗和成本低 、 可靠性 高 、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、易于開發(fā)。 這決定了它在智能儀器的設(shè)計(jì)中 很 長時期還會獲得形式多樣、特點(diǎn)不同的廣泛應(yīng)用。 它不僅用于智能儀器、電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、自動控制及國防工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域，而且進(jìn)入億萬家庭。各種普通家用電器中單片機(jī)的數(shù)量與日俱增。 單片機(jī)的典型代表是 Intel 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初研制出來的 MCS51系列單片機(jī) [3]。 發(fā)型之后 在全國 迅速 得到 廣泛 應(yīng)用 ，但 Intel 公司已集中精力在 CPU 的生產(chǎn)上，并逐漸放棄了單片機(jī)的生產(chǎn)。 ATMEL 公司是美國 20 世紀(jì)80 年代中期成立并發(fā)展起來的半導(dǎo)體公司。技術(shù)優(yōu)勢在于 Flash 存儲器，公司將 Flash 與 Intel 公司的 80C51 核相結(jié)合，形成了 Flash 單片機(jī) AT89 系列。由于其具有 80C51 的原有功能，內(nèi)部還含有大容量的 Flash 存儲器，又增加了新功能，因此在電子產(chǎn)品開發(fā)及智能化儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用，成為目前取代 MCS51 系列單片機(jī)的主流芯片之一。本論文所研究的系統(tǒng)中便使用的AT89 系列的芯片 [3]。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 2 傳感技術(shù)相關(guān)概述 傳感器技術(shù) [4]是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，許多國家已將傳感器技術(shù)列為與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)同等重要的位置，稱之為信息技術(shù)的三大支柱之一。目前敏感元器件與傳感器在工業(yè)部門的應(yīng)用普及率已被 國際社會作為衡量一個國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。 它通常是實(shí)現(xiàn)測試和自動控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，如果沒有傳感器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精確可靠的測量則無論是信號轉(zhuǎn)換還是信息處理，或者是最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。 因此，傳感器技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的新興學(xué)科正得到空前快速的發(fā)展。并且在越來越多的領(lǐng)域被廣泛使用。 傳感器種類繁多其中按使用材料可分為：半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、復(fù)合材料傳感器、金屬材料傳感器、高分子材料傳感器、超導(dǎo)材料傳感器、納米材料傳感器、光纖 材料傳感器等。 其中半導(dǎo)體傳感器中的 很 多元件所測 相關(guān)量的 變化 （ 如溫度、適度、某種氣體濃度 ） 最終都是通過電阻的變化表現(xiàn)出來的。同時半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用很多，像我們身邊的瓦斯煙霧檢測儀、室內(nèi)溫度檢測儀 、 CO 探測報(bào)警器等都是對半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用。其種類有半導(dǎo)體氣敏傳感器、濕敏傳感器、色敏傳感器 、 熱敏 傳感器 等。 熱敏 電阻 器 ： 按照 溫度系數(shù) 不同分為 正溫度系數(shù)熱敏電阻 器（ PTC）和 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 器（ NTC）。 熱敏電阻器 的典型特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電 阻值 。 正溫度系數(shù)熱敏電阻 器（ PTC）在溫度越高時電阻值越大， 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 器（ NTC）在溫度越高時電阻值越低 。 PTCR[5]是英文 Positive Temperature Coefficient Resistance 的縮寫 ,意思是正的電阻溫度系數(shù)，也常用來泛指具有正溫度系數(shù)的現(xiàn)象和材料。 PTC 熱敏電阻其常溫電阻率在 102～ 104Ωcm 之間，當(dāng) 測試 溫度超過其居里溫度時，在幾十度溫度范圍內(nèi)，其電阻率可以增大 4～ 10 個數(shù)量級，即產(chǎn)生所謂的 PTC 效應(yīng)。本論文中用的熱敏電阻為 BaTiO3 半導(dǎo)瓷， BaTiO3 半導(dǎo)瓷是一種典型的鐵電材料，是 PTC 電阻。 PTCR 元件的實(shí)用化基本從上世紀(jì) 60 年代開始，利用其基本的電阻 溫度特性，電壓 電流特性與電流 時間特性，各種不同用途的 PTCR 元件廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子設(shè)備如計(jì)算機(jī)和測量儀器，民用電子設(shè)備如家用電器和汽車零部件中，以達(dá)到傳感器、溫度補(bǔ)償、過流保護(hù)、定溫加熱、暖風(fēng)、自動消磁、馬達(dá)啟動延時等作用。 PTCR 的三大特性（ 電阻 溫度特性、電壓 電流特性、電流 時間特性 ）一單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 3 直是科研人員們關(guān)注的重點(diǎn)，這三大特性的參數(shù)測量主要包括對電阻、電壓、電流、溫度、頻率等基本物理量的測量。在實(shí)際的理論研究及工業(yè)生產(chǎn)中，PTC 熱敏電阻元件的測試條件通常 都 有一定的特殊要求，比如恒定可控的溫度環(huán)境 ， 零功率 測試 條件 ， 根據(jù) PTC 熱敏材料 特 性而需要采用的特定測量方法等 。 本論文研究的目的和意義 所以最近的幾十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路（ IC）和微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測量技術(shù)也有了巨大的進(jìn)步，從而促使了數(shù)字類儀表 ，和基于微處理芯片的系統(tǒng) 的快速發(fā)展， 結(jié)合嵌入式微控制器即單片機(jī)來設(shè)計(jì)智能 PTCR 測試系統(tǒng)，使測試儀表朝著集成化、智能化、模塊化、微型化的方向發(fā)展，符合智能儀器的發(fā)展趨勢 [6]。 正是由于半導(dǎo)體傳感器件的所測環(huán)境變量的終端體現(xiàn)很多都是通過電阻變化來判斷的，所以電阻測量儀器是很必要的，這便是本論 文中動態(tài)電阻測量儀系統(tǒng)研究的意義所在。 所以，本文中的動態(tài)電阻測量儀 是對微處理芯片技術(shù)和半導(dǎo)體傳感器件的聯(lián)合使用， 就是一個 相對 簡單的 針對 熱敏電阻的 動態(tài) 電阻測量系統(tǒng)。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 4 第 2 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 思路 概述 首先 本系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)電阻的測量，而電阻是不能直接測量的。所以采取的方式便是，借助相關(guān)電路的設(shè)計(jì)及對電壓的測量經(jīng)過相應(yīng)的算法計(jì)算出電阻值并讓其在數(shù)碼管顯示。 系統(tǒng)利用的是如下的分壓電路 ： 圖 21 分壓電路原理圖 其中電源是 5V 的， R1 是一個已知阻值的電阻， RV1 變阻器就相當(dāng)于需要測試的變化的電阻，電壓表接在已知電阻的兩端，即電壓表顯示的是阻值已知的電阻兩端的電壓值。 其本質(zhì)其實(shí)跟傳統(tǒng)的比例法測電阻 [7]是相 同的，傳統(tǒng)的比例法測電阻的原理圖以及相關(guān)分析如下可見： 圖 22 比例法測電阻原理圖 被 測電阻 Rx 與基準(zhǔn) 電阻 R0(即為分壓電路中的已知電阻 )串聯(lián)后接在電源V+和 COM 之 間。參考電壓輸入的 VREF+與 V+相接， VREF與 測量電壓輸入端IN+相接， IN與 COM 接通。 R0 上的 壓降 VR0 兼作基準(zhǔn) 電壓， Rx 上的 壓降VRX 作 為輸入電壓 VIN， 設(shè)流過 R0 和 Rx 的 電流為 I，參數(shù)之 間關(guān)系為： 00 00xRIN x xRRVV IR RV V IR R?? ? ?? 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 5 測量值只與兩個電阻的比值有關(guān)，而與參量電壓 VREF 的 值無關(guān)，這就是比例法測電阻的優(yōu)勢所在。 所以同樣的，在本系統(tǒng)中如果要 測電阻，就需要借助電壓表測出的已知電阻的電壓值，計(jì)算出待測電阻的阻值。 RX＝ R0(5V0)/V0 現(xiàn)在設(shè)計(jì)主線已經(jīng)很明確的，為輔助測試先要設(shè)計(jì)制作一個 一路模擬量輸入 電壓表，能夠測量 05V 電壓即可。然后再在軟件中根據(jù)實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)電阻的算法。至于顯示規(guī)格，我是以千歐為單位顯示的，而且 顯示 的變化范圍是 0到 10 千歐，所以數(shù)碼管采用的是四位一體的，可以顯示三位小數(shù)。 所以現(xiàn)在就可以看出來，本系統(tǒng)的硬件電路就是一個數(shù)字電壓表的硬件電路再外加一個包括待測電阻的分壓電路。而最終電阻值的顯示是在軟件中通過相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn) 的。 電壓表設(shè)計(jì)的總體方案 設(shè)計(jì)思路 數(shù)字電壓表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括三大模塊：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊。 ① A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用 ADC0808 實(shí)現(xiàn)。 ② 數(shù)據(jù)處理模塊選擇 AT89C51 單片機(jī)為核心控制器件 [8]來完成。 ③ 顯示模塊采用 4 位一體的 LED 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。 圖 23 系統(tǒng)整體運(yùn)行框架 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 6 設(shè)計(jì)方案 數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計(jì)由 6 個部分組成 ： 時鐘電路，復(fù)位電路，AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng) [9]， A/D 轉(zhuǎn)換電路， LED 顯示系統(tǒng)以及測量電壓輸入電路。 硬件電路的設(shè)計(jì)框圖如下所示 ： 圖 24 數(shù)字電壓表硬件設(shè)計(jì)框圖 電壓表 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 A/D 轉(zhuǎn)換器概述 現(xiàn)實(shí)世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D 轉(zhuǎn)換器）， A/D 轉(zhuǎn)換器是單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種 A/D 芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型 、電壓頻率轉(zhuǎn)換 型 等。雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。與雙積分相比，逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn) 換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如 ADC080 ADC0808 等，它們通常具有 8 路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送到單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示。一個 n 位的逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器只需要比較 n 次，轉(zhuǎn)換時間只取決