【正文】 電阻，在其加熱的情況下進(jìn)行電阻測量，可以得到 隨溫度變化的測量值。 在測試系統(tǒng)的軟件部分，論文分別對測量主程序、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序、 顯示和系統(tǒng) 初始化程序、數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行了討論和設(shè)計(jì)。 本系統(tǒng)采用 89C51 單片機(jī)作為主控芯片， 選用了 ADC0809 進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 大連海事大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 二○一 三 年六月┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊ 單通道 動(dòng)態(tài) 數(shù)字 電阻測量儀 專業(yè)班級(jí)： 電子 信息工程 3 班 姓 名： 王 寧 指導(dǎo)教師： 劉 劍 橋 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 I 摘 要 本文基于 89C51 單片機(jī)芯片，利用 A/D 轉(zhuǎn)換器及數(shù)碼管，完成了針對熱敏電阻的 動(dòng)態(tài) 電阻測量系統(tǒng)。 PTC（正溫度系數(shù)熱敏電阻） 熱敏材料 的 性能主要由三大特性表征，其中電阻 溫度特性 是 熱敏材料最基本的特性，是 衡量其 性能的最佳尺度， 所以 對熱敏電阻的阻溫特性測試 也就 尤為重要。 配合自行設(shè)計(jì)的外圍電路，結(jié)合單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了對阻值跨度在 1 歐～ 3 千 歐熱敏電阻的精確測量；外擴(kuò) 數(shù)碼管 顯示模塊，完成對測試數(shù)據(jù)的顯示；實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與 ADC0809 芯片，單片機(jī)與 數(shù)碼管及數(shù)碼管的連接電路。 系統(tǒng)軟件采用 C51 單片機(jī)專用語言編寫，利用 Keil51 編譯 器編譯，產(chǎn)生的目的代碼的運(yùn)行速度高，所需存儲(chǔ)空間小。根據(jù)繪出的電阻時(shí)間曲線可以看出，系統(tǒng)滿足最初的設(shè)計(jì)要求，可以動(dòng)態(tài)的測量電阻，并且通過數(shù)碼管以數(shù)字的形式顯示出來。 and the digital tube demonstration module acplish the display of data。 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]。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)。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]。 這決定了它在智能儀器的設(shè)計(jì)中 很 長時(shí)期還會(huì)獲得形式多樣、特點(diǎn)不同的廣泛應(yīng)用。各種普通家用電器中單片機(jī)的數(shù)量與日俱增。 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)。技術(shù)優(yōu)勢在于 Flash 存儲(chǔ)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。本論文所研究的系統(tǒng)中便使用的AT89 系列的芯片 [3]。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(huì)作為衡量一個(gè)國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。 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。 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。同時(shí)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。 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）。 正溫度系數(shù)熱敏電阻 器（ PTC）在溫度越高時(shí)電阻值越大， 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 器（ NTC）在溫度越高時(shí)電阻值越低 。 PTC 熱敏電阻其常溫電阻率在 102～ 104Ω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 的三大特性（ 電阻 溫度特性、電壓 電流特性、電流 時(shí)間特性 ）一單通道動(dòng)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。 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]。 所以，本文中的動(dòng)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(gè) 相對 簡單的 針對 熱敏電阻的 動(dòng)態(tài) 電阻測量系統(tǒng)。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。 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。 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(dòng)態(tài)數(shù)字電阻測量儀 5 測量值只與兩個(gè)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。 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(gè) 一路模擬量輸入 電壓表，能夠測量 05V 電壓即可。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)。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。 ① A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用 ADC0808 實(shí)現(xiàn)。 ③ 顯示模塊采用 4 位一體的 LED 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。 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。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。 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 [10]，最開始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置 1，把數(shù)據(jù)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則 1 保留，如果轉(zhuǎn)換的 模擬量比輸入的模擬量大，則 1 不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。 （ 2） 具有轉(zhuǎn)換起始控制端。 （ 4） 模擬輸入電壓范圍 0 +5V，不需外部零點(diǎn)和滿刻 度調(diào)整。 （ 6）工作溫度范圍為 40 攝氏度到 +85 攝氏度。由于 ADC0808 設(shè)計(jì)時(shí)有考慮到若干種模 /數(shù)變換技術(shù)的長處，所以該芯片非常適應(yīng)于過程控制，微控制器輸入通道的接口電路，智能儀器和機(jī)床控制等領(lǐng)域。 區(qū)別在于 ADC0808 的輸出端口 D0D7 是高位到低位，而 ADC0809 是低位到高位。 ADC0808 外部各引腳功能 ADC0808 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖 3 所示。 D0D7(8 條 )： 8 位數(shù)字量輸出端 D0 是高位。 單通道動(dòng)態(tài)數(shù)字電阻測量儀 8 圖 26 ADC0808 引腳圖 ADDA,ADDB,ADDC： 3 位地址輸入線，用于選擇 8 路模擬輸入中的一路，其對應(yīng)關(guān)系如表 2 所示： 表 21 ADC0808 通道選擇表 地址碼 對應(yīng)的 輸入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START： START 為“啟動(dòng)脈沖”輸入法，該線上正脈沖由 CPU 送來，寬度應(yīng)大于 100ns，上升沿清零 SAR,下降沿啟動(dòng) ADC 工作。 OE： OE 為 數(shù)據(jù) 輸出允許端，高電平 有效。 REF+、 REF： 參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。 GND 為接地端，一般REF+與 Vcc 連接在一起， REF與 GND 連接在一起 。 要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHz。如下圖所示。 （ 2） 8 路模擬通道選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn) 從 8 路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進(jìn)行比較。 （ 4）三態(tài)輸出鎖存器保存當(dāng)前模擬通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，當(dāng) OE 信號(hào)有效時(shí)，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送出。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。 EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已經(jīng)存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可做終端申請。 數(shù)據(jù)處理模塊 AT89C51 單片機(jī)性能介紹 數(shù)據(jù)處理模塊由單片機(jī)系統(tǒng)完成，在這里我采用的是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51[9]。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51 外部 引腳功能 AT89C51 采用 PDIP 封裝形式，引腳配置如圖 5 所示。這 8 個(gè)引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是 89C51 不帶外存儲(chǔ)器， P0 口可以為通用 I/O 口使用， 用于傳送 CPU 的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)輸出數(shù)據(jù)單通道動(dòng)態(tài)數(shù)字電阻測量儀 11 可以得到鎖存，不需要外 接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是 89C51 帶片外存儲(chǔ)器， 在 CPU 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲(chǔ)器的讀 /寫數(shù)據(jù)。 P1 口：這 8 個(gè)引腳和 P0 口的 8 個(gè)引腳類似， 為最高位， 為最低位，當(dāng) P1 口作為通用 I/O 口使用時(shí)， 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。 P3 口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全相同，如下表 22 所示： 表 22 P3口各位的第二功能 P3 口各位 第二功能 RXT（串行口輸入） TXD（串行口輸出） /INT0（外部中斷 0輸入） /INT1(外部中斷 1輸入 ) T0（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 的外部輸入） /WR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫允許） /RD(片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀允許 ) Vcc 為 +5V 電源線， Vss 接地。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， 89C51 自動(dòng)在 ALE 線上輸出頻率為 1/6 震蕩器頻率的脈沖序列。 /EA： 片外 存儲(chǔ)器訪問選擇線，可以控制 89C51 使用片內(nèi) ROM 或使用片外 ROM， 當(dāng) /EA=1 的時(shí)候 ，允許使用片內(nèi) ROM, 當(dāng) /EA=0 的時(shí)候 ，只使用片外 ROM。 RST：復(fù)位線，可以使 89C51 處于復(fù)位 (即初始化 )工作狀態(tài)。 XTAL1 和 XTAL2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接 89C51 片內(nèi) OSC(震蕩器 )的定時(shí)反饋回路。空閑方式停止CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 MCS51 單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST[11],采用施密特觸發(fā)輸入。復(fù)位完成后，如果 RST 端繼續(xù)保持高電平， MCS51 就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要 RST 恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。 復(fù)位電路如圖 29 所示。 CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī) 內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和 2 個(gè)電容即可，如圖 210 所示。 10pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了 33pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)震蕩頻率，