[理学]PTCR-寿命特性测试仪器设计.doc

PTCR-寿命特性测试仪器设计第一章 绪论1.1 引言仪器仪表是人类对物资世界的信息进行测量、控制及有效利用的基本手段和设备，是信息产业的源头和重要组成部分。仪器仪表的发展水平是国家科技水平和综合国力的重要标志之一。测试仪器仪表从单台、单功能向智能式测试仪器（或称虚拟仪器、柔性仪器）和系统发展是一个新的重要发展方向，他是计算机硬件、软件、总线技术、测试技术与仪器技术密切结合的产物1。当前，我国在智能式系列测试仪器与智能系列自动化测试系统的研究与产业化方面均有重大进展。PTCR( Positive Temperature Coefficient Resistance)是指正温度系数热敏电阻，其显著特性是随着温度的升高其阻值陡然增大，运用此特性可应用于温度控制、过流过热保护等场合2。PTCR性能包括:电阻-温度，电流-时间、电压-电流特性，电阻-频率特性等。由于PTCR所具有的特殊功能，己在许多领域得到广泛应用。为了能更好地了解和使用PTCR，对PTCR的电特性进行测试是必要的。1.2 PTCR的基本概念及应用为了能更好地设计PTCR综合性能测试系统，必须对PTCR基本特性有深入的了解，从分析PTCR的基本概念入手，分析研究PTCR的特性。1.2.1 PTCR的基本概念热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料或者有机材料组成，利用的原理为温度引起的电阻变化。目前得到普遍使用的PTCR按材料可以分为陶瓷PTCR和有机PTCR，有机PTCR有价格低、常温电阻小等优点，陶瓷PTCR有重复性好的特点，两种PTCR各有优缺点.两种PTC电阻有着不同的PTC效应机理3。陶瓷PTC电阻：陶瓷PTCR的PTC效应是由陶瓷基体中的晶界层产生，而晶粒本身并没有PTC效应。其PTC效应的强度、常温电阻值的大小和基体中的晶粒大小、种类等都有一定的关系。有机PTC电阻：一般认为是有机基体中掺杂的导电粒子聚集形成导电链，随着温度的升高导致导电链的断裂或导电粒子扩散从而使有机PTC电阻的电阻变大，特别在有机晶体的熔融点附近，导电链的状况急剧变化导致有机PTCR的电阻值也急剧上升显现出强烈的PTC效应。其PTC效应的强度、常温电阻的大小和填充的碳粒的含量、大小、表面积以及在基体内的分布情况等都有关系。1.2.2 PTCR的主要参数（1）额定零功率电阻零功率电阻，是指在某一温度下测量PTC热敏电阻值时，加在PTC热敏电阻上的功耗极低，低到因其功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计。额定零功率电阻指环境温度25条件下测得的零功率电阻值。（2）最小电阻指PTC热敏电阻可以具有的最小的零功率电阻值。（3）居里温度对于PTC热敏电阻的应用来说,电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其定义为居里温度。（4）温度系数PTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。温度系数越大，PTC热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。（5）表面温度表面温度是指当PTC热敏电阻在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状态已达较长时间时,PTC热敏电阻表面的温度。（6）动作电流流过PTC热敏电阻的电流，足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流。动作电流的最小值称为最小动作电流。（7）动作时间环境25条件下，给PTC热敏电阻加一个起始电流(保证是动作电流)，通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的50%时经历的时间就是动作时间。（8）不动作电流流过PTC热敏电阻的电流，不足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度，这样的电流称为不动作电流。不动作电流的最大值称为最大不动作电流。（9）最大电流最大电流是指PTC热敏电阻最高的电流承受能力。超过最大电流时PTC热敏电阻将会失效。（10）残余电流残余电流是在最大工作电压下，热平衡状态下的电流。（11）最大工作电压最大工作电压是指在规定的环境温度下，允许持续地保持在PTC热敏电阻上最高的电压。对同一产品而言,环境温度越高，最大工作电压值越低。（12）额定电压额定电压是在最大工作电压Vmax以下的供电电压。（13）击穿电压击穿电压是指PTC热敏电阻最高的电压承受能力.PTC热敏电阻在击穿电压以上时将会击穿失效。1.2.3 PTCR的特性介绍电阻-温度特性：由于a度的升高导致PTCR内部结构或状态的变化，在PTCR材料的居里点附近变化特别明显。根据电阻一温度曲线变化速度的不同，PTCR电阻可以分为缓变型和突变型。其中突变型根据居里点的不同又可以分为低居里点突变型和高居里点突变型（如图1-1）。根据其特性的不同.应用的场合也不同。利用PTCR的此特性可以用作过热、过流保护器件。图1-1 PTC热敏电阻的阻温特性电流-时间特性：其电流随时间呈指数形式衰减，衰减系数与电阻温度系数成正比，与外加电压、PTCR的热容、元件的形状和大小均有关系。利用PTCR的此特性可以用作消磁电阻。（如图1-2）图1-2 PTC热敏电阻的电流时间特性电压-电流特性：包括零功率伏一安特性、静态伏一安特性等。通过静态伏一安特性我们可以知道PTCR在工作状况下的情况，也有利于我们确定PTCR的工作点和适用条件。（如图1-3）图1-3 PTC热敏电阻的不同温度下的伏安特性电阻-频率特性：PTCR的电阻率不仅和外加的电压大小有关，同时还与所加电压的频率有关。每加一次电压PTC电阻就有一定的变化，合格的PTC电阻的变化范围为15。1.2.4 PTCR的典型应用利用热敏电阻器的阻温特性，可以制成温度开关，以实现对马达、变压器、大功率晶体管等电路的过热保护4。这种热敏电阻多采用突变型的，并且要求有低的电阻率(以便减少对负载的影响)、大的温度系数以保证良好的开关特性)及高耐压特性(以提高产品的可靠性)。PTC过电流保护元件可使用的应用范畴包括:冰箱、空调等家电的保护、手机电池、热水器、微波炉、电暖器、工业仪表、运载火箭、人造卫星、飞机坦克、食品加工、扬声器、医疗仪器、粮食仓库、火灾报警、汽车水箱、电机 、摩托车、电子、通信(包括程控电话交换机)等。另外PTC元件的其他应用如下：（1）用作恒温加热PTC热敏电阻具有恒温作用,当PTC发热元件通电时,温度较低,此时电阻小,功率很大,能迅速加热,温度逐渐上升到居里温度时,由电阻2温度曲线可知, 电阻急剧增大,可达37个数量级(103107倍)。此时在恒压作用下通过元件的电流则减小, 相应元件温度亦降低,于是电阻值减小。而这时,由于电阻的减小又导致通过热敏电阻元件的电流增大,元件温度升高,电阻增大,从而使电流又开始减小。这样,通过重复上述过程,元件本身就起到了自动调节温度的作用。因为PTC元件具有自然寿命长、自动恒温、无明火、高可靠性、节能效果显著等特点。（2）用作自动开关利用PTC 热敏电阻的电流-时间特性,可将其用作启动开关使用,如压缩机电机的启动电路、无触点继电器等。在压缩机启动电路中,因PTC元件结构简单,无运动零件,无噪声,可靠性好,对电压波动的适应性强,对压缩机的匹配范围广,寿命长,启动时间短,工作安全,因此逐步取代了电流型重力式启动继电器。（3）用作电机或电器设备的保护器电机损坏的原因,经常是超负荷、断相或者电机的传动部分发生机械故障,造成电机绕组发热,温度升高到超过电机的最高允许温度。可见, 各种原因最终归结为发热,因此可以利用对温度变化高灵敏度的PTC 热敏电阻作过热保护元件,采用开关型的正温度系数的PTC热敏电阻更好。因为这种PTC 热敏电阻的电阻2温度特性在居里温度以下时,电阻值随温度变化小,超过这一温度时阻值急剧上升,具有开关的特性, 更适用于作保护电器。1.3 PTCR特性测试仪器的发展现状关于PTCR特性测试设备可分为两部分，一是测试PTCR材料本身的，二是对PTCR性能 的测试。对前者材料科学有许多专门测试设备.在此我们不加以论述。本文所研究的PTCR测试设备指的是PTCR产品特性测试仪器或者是PTCR材料封装成PTCR器件特性测试设备。随着PTCR应用领域的扩大，国内出现了许多PTCR生产的厂家，为了能生产出合格产品，必须进行产品性能测试。PTC热敏电阻由于自己特殊的性质，在40多年的发展中，取得了广泛的应用，特别是近年来，随着彩电、电冰箱等家用电器的普及，对PTCR需求量猛增。热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起的电阻变化。因此可以测量电导来推算出温度的高低。PTCR的寿命就决定产品的的使用期限。因此，PTCR的寿命特性测试是生产过程中不可或缺的一部分。目前，由于缺乏优良性能价格比的PTCR性能专用测试设备，大部分生产厂家采用人工测试方法.通常采用普通高精度万用表进行电阻测量，普通温度计对一些温度点进行阻温特性测试这些传统方法，测量时间长而且需要人工直接参与5。费时，精度也不高。特别是在进行动作特性和不动作特性测试时，还需要配备其他辅助设备进行相应特性测试，这样提高了测试设备的投入。由于PTCR的电特性比较复杂，采用普通仪器设备进行测试比较烦琐，速度很慢且不利于进行准确的测量，或者测试时需要大量人工进行参与，在进行少量的测试时这种方法是可以采用的。但随着市场需求的扩大.对产品质量要求相应提高。采用原始的通用仪器设备测试方法已不能满足要求，这就要求我们研制专用PTCR测试设备，力求节省人力财力资源，提高测试精度和速度。众所周知，PTC元件在通电瞬间，电阻值很小，从而有较大的电流通过，在温度超过元件的居里点后，电阻急剧上升，电流也随之减小，然后渐渐稳定。寿命测试仪就是利用电阻这一特性。1.4 小结本章节详细介绍了PTCR的发展现状以及PTCR的几种基本特性和应用状况。介绍了此次课题设计的重要性和必要性。第二章 PTCR寿命特性测试仪基本原理2.1 PTCR工作原理PTC热敏电阻(正温度系数热敏电阻)是一种具温度敏感性的半导体电阻，一旦超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增高。PTC热敏电阻本体温度的变化可以由流过PTC热敏电阻的电流来获得，也可以由外界输入热量或者这二者的叠加来获得。 陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体，而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，具有较低的电阻及半导特性。通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的：在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代,因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。对于PTC热敏电阻效应,也就是电阻值阶跃增高的原因，在于材料组织是由许多小的微晶构成的，在晶粒的界面上，即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒，阻碍电子越界进入到相邻区域中去，因此而产生高的电阻。这种效应在温度低时被抵消：在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动。而这种效应在高温时，介电常数和极化强度大幅度地降低，导致势垒及电阻大幅度地增高，呈现出强烈的PTC效应。2.2 PTCR寿命特性测试仪主要技术指标该测试仪各项技术指标及参数如下：环境条件：工作温度范围 -1040仪器电源：市电(220VAC 5060Hz)冲击电流：0.510A冲击次数（工作周期数）：105（可设定）样品工位数：10个限流电阻RL： 9样品顺序通电、断电时间间隔：0.5秒、1.0秒、2.0秒、4.0秒通、断电压时间：均为99小时范围内可调节顺序加电压指示：绿色LED产品检测不合格指示：红色LED2.3 测试仪的基本原理由于PTCR热敏电阻的热开关特性，其特点是常温电阻低，加压（220V）瞬间冲击电流很大（几安培几十安培），加电后由于元件自热升温，导致阻值迅速增加，而流过样品的电流迅速衰减。采用常用加压方法，如果一次加压的样品数量多，其初始电流非常大，容易引起供电设备的损坏，为此必须采用顺序加压的方式提高检测效率。据此，测试仪的工位数为十只。启动时断电器闭合，10路元件依次加上电压，间隔时间为1s，当达到设定的通电时间后，电压时动作执行继电器K是依次断开。虽然每个元件加电压的时刻不一样，但我们采用先加压先断开，后加压后断开的办法，仍保证了每一元件的加电压、断电压时长是一样的。断电时间到后冲击次数加一，且仪器开始下一次冲击，直到达到予设置的冲击次数后自动停止测试。通断电时间及冲击次数均设置可调。对元件的加电过程是顺序加电，而断电则为同时，也就是说第一个待测样品和第十个待测样品加电时间在一个周期内相差9S，当冲击次数上1000次甚至更多时，样品之间的加电时间相差很远，由此可能带来很大的测量误差，导致测试结果不准确。此外，当批量生产的产品合格率较低时，由于每一样品回路靠保险丝保护，当某一样品击穿后，由于保险丝的熔断特性，不仅使样品烧毁，而且使固定测试样品的夹具烧毁。，测试过程中出现明火导致测试的安全性大大降低，且失效样品通道没有指示。如果中途全部样品击穿，仪器也要继续测试直至冲击次数达到设定值（除非人工停止）。因此，每一测试回路都有击穿（过电流）保护电路，确保当一路样品击穿时该电路起保护作用，仅将该测试回路断开而不影响其余回路的测试工作，同时对测试夹具进行保护，无须频繁地更换保险和夹具，从而使测试效率大大提高，且测试成本降低。由两个比较器组成的测试PTCR阻值变化范围部分中，两比较器的基准电压要求可调，我们我们使用运算放大器来组成可调电压源电路。MCS-51系列单片机通过外接8255扩展I/O口，对多个继电器操作实现10工位的测试过程。测试数据通过ADC0809传递给单片机，单片机对传来数据进行处理，判断电阻变化范围是否在操作所设定的范围内，如果不是则说明此PTCR产品不合格，单片机将此PCTR的工位号送到LED显示，并报警。2.4 小结本章节初步介绍了PTCR寿命特性测试仪的基本原理，提出了测试仪应该具备的基本参数，提出了设计的初步思想以及设计应该考虑的问题第三章 PTCR寿命特性测试仪硬件设计3.1 硬件系统基本构成硬件系统的主要部分由控制按键、AT89C51单片机、比较器模块、8255I/O扩展芯片、LED指示灯组模块、ADC0809模数转换模块组成。硬件组成原理如图3-1：时钟电路复位电路80518255I/O扩展比较器模块8279芯片ADC0809模数转换模块待测产品组键盘显示图3-1 硬件原理图3.2 单片机的选取及原理单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、随机存取存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read-only Memory）、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能6。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及数据处理场合，同时也因为单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，因此广泛应用于：测试系统、智能仪表、机电一体化产品、功能集散系统和并行多控制系统。本系统的核心是单片机，所以必须先充分了解单片机的特点以及选择一款适合的单片机型号。3.2.1 80C51系列单片机的特点80C51系列单片机是在美国INTEL公司于20世纪80年代推出的MCS-51系列高性能8位单片机的基础上发展而来的，他在单一芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM和片内ROM以及其他一些功能部件。现在80C51系列单片机已有许多品种，不同公司推出的80C51具有各自的功能特点；但它们的内核都是以Intel公司的MCS-51为基础，并且指令系统兼容，从而给用户带来了广阔的选择范围，同时又可以采用相同的开发工具。80C51系列单片机可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用。80C51系列单片机在存储器的配置上采用程序存储器与数据存储器分开的结构，利用不同的指令和寻址方式进行访问，可分别寻址64KB的程序存储器空间和64KB的数据存储器空间，充分满足工业测量控制的需要。80C51系列单片机共有111条指令，包括乘除指令和位操作指令。中断源有5个（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的。ROM型80C51在单芯片应用方式下其4个并行I/O口都可以作为输入/输出使用，在扩展方式下需要采用P0和P2口作为片外扩展地址总线使用。80C51单片机内部集成了一个全双工的异步串行接口，可同时发送和接受数据，为单片机之间的相互通信或与上位机通信带来极大的方便。3.2.2 80C51系列单片机的结构MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。因此，以8051为例，说明本系列单片机的内部组成及信号引脚。8051单片机的基本组成请参见图3-2。下面介绍各部分的基本情况。CPU（运算器）（控制器）P1串行口数据存储器RAMP0P2程序存储器ROM/EPROM特殊功能寄存器（SFR）定时器/计数器中断系统P38888ALEPSENEARESETXTAL1XTAL2图3-2 MCS-51 单片机结构框图（1）中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。（2）内部数据存储器（内部RAM）8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。（3）内部程序存储器（内部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。（4）定时/计数器8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。（5）并行I/O口MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。（6）串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。（7）中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。（8）时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。3.2.3 80C51单片机引脚说明MCS-51系列单片机芯片为40条引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装，其引脚示意图如图3-3所示。各引脚功能说明如下：（1）电源引脚VCC（40） 接+5V电源正端。VSS（20） 接+5V电源地端。（2）外接晶体引脚XTAL1（19）和XTAL2（18）两端接石英晶体。（3）输入/输出引脚P0口（32-39） 在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。图3-3 8051引脚图P1口（1-8） 可以作为准双向I/O口使用。P2口（21-28） 一般可作为准双向I/O口使用，在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节，P2口用作高8位地址总线。P3口（10-17） 除了作准双向I/O口使用外，还可以将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口第二功能引脚第二功能P3.0RXD 串行口输入端P3.1TXD 串行口输出端P3.2INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3INT1 外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端P3.6WR 外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效P3.7RD 外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效（4）控制线引脚ALE/PROG（30） 地址锁存有效信号输出端。ALE在没个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的始终脉冲或用于定时项目。PSEN（29） 片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。RST/VPD（9） 该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作，该引脚上出现持续两个周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。VPP/EA（31） EA为片外程序存储器选用端。该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。综上所述。MCS-51系列单片机的引脚可归纳为以下两点：a 单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第二功能。b 单片机对外呈现3总线形式，有P0、P2口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线，由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64KB。3.2.4 80C51单片机的复位电路MCS-51系列单片机有上电复位和按钮复位两种方法7，上电复位是指加电瞬间，在RST引脚上出现大于10ms的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位又可分为按钮脉冲复位和按钮电平复位。用户按下“复位”按钮使单片机进入复位状态。按钮复位是靠外部电路来实现的。几种复位电路如图3-4所示。图3-4 各种复位电路3.2.5 80C51单片机时钟电路8051芯片的时钟产生有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式，在这个系统中我们采用内部时钟方式，如图3-5所示。图3-5 单片机的两种时钟电路片内高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体与电容组成的并联谐振回路构成一个自激荡器向内部时钟电路提出振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，在这里我们选用振荡频率为12MHz的晶体。电容C1、C2的值有微调作用，取30pF。3.3 I/O口扩展芯片8255的原理及电路设计Intel8255芯片是配合Intel微处理器而设计的通用可编程并行1/O接口器件，它能把外围设备连到微型计算机总线上，通用性强，使用灵活，可以用程序来设置和改变芯片的工作方式，是一种典型的可编程并行接口芯片8。8255共有三种模式:基本的输入/输出(方式0)、有选通的输入/输出(方式1)和双向总线输入/输出(方式2).在寿命特性测试仪器的硬件设计中因为要考虑到要实现多工位测试的要求，所以仅仅使用单片机的自身I/O口是不能满足要求的，故需要利用8255芯片来扩展I/O口，以满足设计所需。3.3.1 8255 I/O扩展芯片引脚8255芯片引脚图如3-6所示：除了电源(VCC)和地GND)以外，其它引脚信号可分为两组:（1）和外设一边相连的l PA7-PA0 端口A的数据信号，根据工作方式A口可工作于输入、输出方式或双向方式。l PB7-PBO 端口B的数据信号，根据工作方式B口可工作于输入或输出方式，但端口B不能工作在双向方式。l PC7-PC0 端口C的数据信号，根据工作方式C口的数据线可作为输入/输出线、控制线和状态线。图3-6 8255引脚图（2）和CPU一边相连的l RESET 复位信号(高电平有效)，复位后，A口、B口、C口均被自动设为输入方式，同时所有内部寄存器/锁存器都被清零。l D7-D0 双向数据总线，和系统数据总线相连，用来读/写数据和控制字。片选信号(低电平有效)，只有当有效信号到来时，读信号RD和写信CS号WR才对8255有效。l CS 片选信号(低电平有效)，只有当有效信号到来时，读信号RD和写信号WR才对8255有效。l RD 芯片读信号(低电平有效)，当RD有效时，CPU可以从8255中读取输入数据和状态字。l WR 芯片写信号(低电平有效)，当WR有效时，CPU可以往8255中写入控制字或数据。l A1与A0 端口选择线。8255内部有3个数据端口(A.B.C口)和一个控制端口，规定当Al. A0为00时，选中A口;为01时，选中B口;为10时，选中C口;为11时，选中控制口。3.3.2 8255 I/O扩展芯片结构8255的内部结构如图3-7所示：数据总线缓冲器读/写控制逻辑B组控制A组控制A口B口C口上半部分C口下半部分D7D0RDWRA0A1RESETCSPA7PA0PC7PC4PC3PC0PB7PB0图3-7 8255内部结构图由图可以看出，8255由外设接口、A组和B组控制、读/写控制电路和数据总线缓冲器四部分组成。（1）外设接口8255有A、B、C三个端口，每个端口都是8位的，都可以通过编程选择作为输入或者输出，但是每个端口都有自己的特点。A口：有一个8位的数据输入锁存器和一个8位的输出锁存/缓冲器。端口A不管用做输入还是输出，数据均受到锁存。B口：有一个8位的数据输入缓冲和一个8位的输出锁存/缓冲器。断口B用作输入时，数据不会受到锁存，用作输出时，数据会受到锁存。C口：有一个8位的数据输入缓冲器和一个位的输出锁存/缓冲器。端口C用作输入时，数据不会受到锁存，用作输出，数据会受到锁存。（2）A组和B组控制8255的3个端口除了可以分别单独使用之外，还可以分成两组使用，分别成为A组和B组。这时A口和B口作为独立的输入和输出端口，而C口被分成两个4为端口，分别用来作为A口和B口的输出控制信号和输入状态信号。A组控制电路控制A口和C口的高4位（PC7-PC4）的工作方式。B组控制电路控制B口和C口的低4位（PC3-PC0）的工作方式。（3）读/写控制电路读/写控制电路复杂管理8255的数据传输过程。他接收CS和来自系统地址总线的信号A1、A0以及来字控制总线的信号RESET、WR、RD，将这些信号组合之后，得到对A组控制部件和B组控制部件的控制命令，并将命令发送给这两个部件，以完成催数据、状态信息和控制信息的传输。（4）数据总线缓冲器这是一个双向三态的8位数据缓冲器，8255正是通过它与系统总线相连。输入数据、输出数据和命令都是通过该缓冲器传递的。3.3.3 8255 的工作方式（1）工作方式0 工作方式0是一种基本输入/输出工作方式。这种方式没有固定的用于应答的联络信号，也不使用中断，这种工作方式对三个端口都有效，所具有的功能为：三个端口可由程序设置为输入或者输出；输出带锁存功能，输入不带锁存功能；通过简单的输入/输出指令对三个端口任意一个进行读/写操作。（2）工作方式1工作方式1是一种选通式输入/输出方式。这种工作方式必须带有一些控制联络信号，用选通信号对数据进行选通，再进行输入/输出操作，这种工作方式对PA口和PB口有效，所具有的功能为：三个端口分成A组、B组两组；每一组含有一个8位数据口和一个4位与之配套控制/状态端口；输入、输出均带有锁存功能。这种工作方式常用作外设设备与CPU之间构成一个中断式暂态输入/输出接口。（3）工作方式2工作方式2是一种双向传送的方式，必须带有一些控制联络信号，通过工作方式2可实现双机并行通信，这种工作方式仅对PA口有效，所具有的功能为：一个8位双向数据输入/输出端口PA口和一个5位与之配套控制/状态口；输入输出均带锁存功能。这种工作方式，常用作双CPU之间构成一种查询或中断式的双机并行通信。3.3.4 8255与单片机接口技术8255与单片机（8051）连接接口图如图3-8所示：图3-8 8255与80C51单片机的接口电路图中8255的RESET、WR、RD分别与8051的RST、WR、RD引脚相连接数据口连8051的P0口。8255的片选信号CS连到8051的P2.7。端口地址选择信号A1、A0由P0.1、P0.0经74LS373锁存后提供。根据线选法，该电路中8255的PA、PB、PC以及控制口的地址分别是7FFCH、7FFDH、7FFEH、7FFFH。3.4 AD转换芯片与MCS-51单片机接口电路设计ADC（Analog Digital Converter）的功能是将输入模拟量转换为与其成比例的数字量9。它是智能化测量控制仪表的一种重要组成器件。按其工作原理，有比较式ADC、积分式ADC以及电荷平衡式ADC等。（1） AD转换的主要性能指标a 分辨率分辨率通常用二进制的位数表示，它表示对满量程的1/2n的增量作出反应。b 量程量程即能转换的电压范围。c 精度精度含有绝对精度和相对精度两种表示方法。绝对精度就是指任何数码所对应的实际模拟电压与其理想电压值之差的最大值。相对精度就是指任何数码所对应的实际模拟电压与其理想电压值之差的最大值占输入模拟电压的百分比。 d 转换时间完成一次A/D转换所需要的时间，又称孔径时间。e 输出逻辑电平一般与TTL电平配合。f 输出代码一般输出为二进制码，也有BCD码及段码输出方式。g 工作温度范围在一定的温度范围内才能保持额定精度标准。h 对基准电压要求考虑是否外接精密基准电源。在本系统中采用的是ADC0809芯片，ADC0809分辨率为8位，转换时间为100微秒，误差范围为1/21，模拟输入范围为0+5V，数字电平输出为TTL电平，工作电压为+5V。3.4.1 AD转换芯片引脚ADC0809的引脚图如图3-9所示。ADC0809模数转换器的引脚功能：IN0IN7：8路模拟量输入。A、B、C：3位地址输入，2个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。ALE:地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器，并经地址译码得到地址输出，可以选择相应的模拟输入通道。D0D7：八位数据输出线，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。OE：允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。START：启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。图3-9 ADC0809引脚图EOC：转换完成信号。转换开始时变低，转换结束时变高，变高时将转换结果打入三态输出锁存器。如果将EOC和START相连，加上一个启动脉冲则连续进行转换。CLK：时钟输入信号，0809的时钟频率范围在101200kHz，典型值为640kHz。VREF（+）：正基准电压输入端。VREF（-）：负基准电压输入端。通常将VREF（+）+5V，VREF（-）接地。VCC：电源电压，可从+5V+15V。3.4.2 AD转换芯片原理ADC0809是一种较为常用的8路模拟量输入，8位数字量输出的逐次比较式ADC芯片，图3-10为ADC0809的原理结构图。芯片的主要部分是一个8位的逐次比较式A/D转换器、8路模拟开关、一个地址锁存与译码器和一个三态输出锁存缓冲器组成。芯片能够对多路模拟信号进行分时采集和转换。转换后的数据送入三态输出数据锁存器。8位模拟开关地址锁存与译码器8位A/D转换器三态输出锁存缓冲器IN7IN0ALEADDAADDBADDCSTART EOC CLKDB7DB0VREF（+）VREF（-）图3-10 ADC0809原理图ADC0809的主要性能参数：（1） 分辨率为8位（2） 最大不可调误差小于LSB（3） 输入电压范围0+5V，通过外接电阻可实现双极性输入（4） 具有锁存控制的8路模拟开关（5） 单一的+5V电源（6） 输出为二进制编码与TTL电平兼容（7） 功耗为15mW（8） 转换时间取决于外部时钟频率、外部时钟频率范围为101280KHz，当频率为500KHz时，转换时间为128微秒。（9） 不必进行调零和调满量程3.4.3 ADC0809与8051的接口技术ADC与8051的接口电路如图3-11所示：图中所示的为ADC0809与单片机8051的一种接口电路。采用线选法规定其端口地址，用单片机的P2.7作片选信号，P2.0 、P2.1 、P2.2连接ADDA、ADDB、ADDC作通道选择信号，因此端口地址为70FFH。图3-11 ADC0809与8051的接口电路片选信号WR信号一起经“或非”门产生ADC0809的启动信号START和地址锁存信号ALE，片选信号与RD信号经“或非”门产生ADC0809输出允许OE。OE=1时选通三态门使输出锁存器中的转换结果送入数据总线。ADC0809的EOC信号经反相后接到8051的INT0引脚用于产生转换完成的中断请求信号。3.5 8279可编程键盘/显示芯片电路设计键盘输入及显示输出是智能化测量控制仪表不可缺少的组成部分10。为了减轻CPU的负担，少占用它的工作时间，目前已经出现了专供键盘及显示器接口用的的可编程接口芯片。Intel公司生产的8279可编程键盘/显示接口芯片就是较为常用的一种。3.5.1 8279的工作原理和芯片引脚8279分为两个部分：键盘部分和显示部分。键盘部分：能够提供64按键阵列（可扩展为128）的扫描接口，也可以接传感器阵列。键的按下可以是双键锁定或N键互锁。键盘输入经过反弹电路自动消除前后沿按键抖动影响之后，被选通送入一个8字符的FIFO（先进先出栈）存储器。如果送入的字符多于8个，则益处状态置位。按键输入后将中断输出线升高电平向CPE发出中断申请。显示部分：对7段LED或其他期间提供显示接口。8279有个内部的168显示RAM，组成一对164存储器，显示RAM可由CPU写入或读出。显示方式有从右进入的计算器方式和从左进入的电传打字方式。显示RAM每次读/写之后，其地址自动加一。芯片各显示接口的管脚和管脚功能如图3-12所示。图3-12 8279引脚排列图DB0DB7：8位数据总线与系统数据总相连，用CPU和8279间的数据/命令传送。CS：片选信号CS=0时，CPU读写有效，8279被选中。WR：WR=0 ，CPU控制信号有效,控制8279写操作。A0：数据选择输入线，A=0，CPU读出为数据；A=1，CPU写入数据为命令字，读出数据为状态字。BD：消隐输出线。BD=0有效。在切换显示数据或使用消令时，该信号将显示器熄灭。CLK：外部时钟信号输入线。8279通过内部定时器将该信号变为内部时钟。内部时钟频率的高低直接决定显示器的扫描时间，通常与编程设置为100 Hz，此时，每位显示数码管的选通时间为0.64ms，设定显示字符8位和16位时，显示扫描周期分为5.1ms和10.2ms。OUTA0OUTA3：A组显示数据输出线。OUTB0OUTB3：B组显示数据输出线。两组数据输出线可独立使用,也可合并使用。合并使用时OUTA3为最高位，OUTB0为最低位。SL0SL3：扫描输出线。有2种工作方式，即译码(4选10)和编码(16选1)输出。方式选择可通过编程设定。RL0RL7 (回复线)：输入线。它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列或行信号输入线。3.5.2 8279与8051单片机的接口电路8279与8051单片机接口电路原理如图3-13所示。图3-13 8279与8031单片机接口电路原理图中所示是8031/8051单片机应用系统的键盘显示驱动电路. 8279的A、B口显示数据输出线分别与2个7447译码/驱动器的输入端相连。SL0SL3扫描输出线接在38线译码74LS138的输入端，输出经8位驱动电路后，每位同时驱动2位七段数码管。因此该电路可同时驱动16路七段十进制数码管。图中74LS47的消隐输入BI端与8279的BD端连，当8279的显示数据切换时，BD端输出低电平，使74LS47的输出均为低电平，将显示熄灭。由于74LS47的输出驱动电流可达20mA，能直驱动七段数码管。位驱动的实用电路很多，通常采用集成元件组成。来自RL0RL7的8根回复线的回复信号，由回复缓冲器并锁存。在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的行列输入线。在逐行列扫描时，回复线用来搜索每一行列中闭合的键。当某一键闭合时，去抖电路被置位，延时等待10ms后，再检验该键是否继续闭合，并将该键的地址、控制状态一起形成键盘数据被送8279内部FIFO(先进先出)存储器，即是8279的IRQ端。键盘数据格式为：D7控制、D6移位、D5D3扫描、D2D0回复。控制和移位(D7、D6)的状态由两个独立的附加开关决定，而扫描(D5、D4、D3 )和回复(D2、D1、D0)是被按键置位的数据。3.5.3 LED显示器的设计系统采用8位的LED显示器，LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器件。我们用七段发光二极管来显示一位，采用共阴极连接。共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地，当二极管阳极为高点平时，发光二极管点亮。管脚输入不同的8位二进制来显示不同的字符。把输入的二进制码叫做段选码。共阴极的段选码如表3-2所示。LED的显示方式又分为静态显示方式和动态显示方式两种，由于N位态显示要求有N*8根I/O口线，占用I/O口太多，我们采用动态显示方式，按照给定的扫描频率轮流选通每个数码显示位，扫描信号由8279提供。表3-2 七段LED的段选码显示的字符共阴极段选码显示的字符共阴极段选码03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH3.6 PTCR阻值变化测试部分电路设计根据寿命特性测试仪的参数要求，测试仪的工位数为十只，测试部分电路图如所示。十路测试位按顺序给待测PTCR加220V电压，加电压时间由单片机通过继电器控制。加电压后，单片机给继电器信号断开冲击电压网络，将测试网络连通，开始测试，测试数据传给比较器模块。如果变化范围超过设定的基准范围，比较器将给信号给单片机，单片机发出报警信号。3.6.1 比较器模块设计电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路11，是组成非正弦波发生器发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。电压比较器的输出电压U0与输入电压U1的函数关系一般用曲线来描叙，称为电压传输特性。输入电压是模拟信号，而输出电压只有两种可能的状态，不是高电压UOH，就是低电平UOL，用以表示比较的结果。使从UOH越变为UOL，或者从UOL越变为UOH的输入电压称为阀值电压，或转折电压。电压比较器有三种：单限比较器、滞回比较器和窗口比较器。本设计中采用应用比较广泛的单限比较器。比较器模块由二个比较器组成双限比较器，其中一个比较器用作上限，一个比较器用作下限。比较器模块原理电路如图3-15所示。A1A2D1DIODED2DIODER1R2DZURHURLU1UOUO1UO2图3-15 双限比较器模块原理电路外加参考电压URHURL，电阻R1、R2和稳压管DZ构成限幅电路。当输入电压U1大于URH时，必然大于URL，所以集成运放A1的输出UO1=+UOM，A2的输出UO2=UOM。使得二极管D1导通，D2截止，稳压管DZ工作在稳定状态，输出电压UO=+UZ。当U1小于URL时，必然小于URH，所以A1的输出UO1=UOM ,A2的输出UO2=+ UOM。因此D2导通，D1截止，DZ工作在稳压状态，UO为+UZ。当URLU1URH时，D1和D2均截止，稳压管截止，UO=0。在此设计系统中，通过对I/O的编程，控制继电器的动作来实现10个工位轮流测试待测PTC热敏电阻在加高压后的阻值变化。通过判断阻值变化的情况来确定此PTC热敏电阻是否符合要求，达到测试其寿命特性的目的。3.6.2 比较器基准可调电压电路电路原理图如图3-16所示。图中D0为高精度的稳压二极管，稳压管电阻R、R1的精度和稳定性由输出电压U0的要求来决定，运算放大器应选择低失调电压、低失调电流和低噪声、低漂移的集成运算放大器。图3-16 可调电压电路原理图由运算放大器的工作原理可知：从上式可以看出，只要参考电压U1恒定值，是一定值，则输出电压U0是一稳定值。改变的值就可得到不同的U0值，一般选定电阻R的值，改变R1，来调节输出电压。在测试系统中通过改变滑片电阻的大小来调节比较器的基准电压，从而使测试的参数范围可调，达到设计目的。3.7 小结在此章节中详细介绍了硬件的各部分的设计过程，对所选取的单片机进行了详细论述，以及基于此单片机各种外围电路的详细设计，对于设计的思想作了细节的补充。课题的设计采用分模块设计，便于在电路出现了问题时能第一时间的找出问题解决问题，也有利于系统的扩展。第四章 PTCR寿命特性测试仪抗干扰设计随着电子技术和计算机技术在电器产品的广泛应用，电子产品的抗干扰问题变得更为突出。目