（通信与信息系统专业论文）新型镀铬量检测分析仪的研究.pdf

摘要 由于镀铬层具有硬度高、耐磨性好、外观优美的特点，镀铬件在装饰五金、 家用电器以及机械制造业得到广泛的应用。但是如果镀铬层的厚度低于2 0 i jm 时，上述优点就不能得以体现，镀铬层过厚，则电镀成本又过高，因此镀铬量 的检测意义重大。 镀铬量的检测方法很多，有光谱仪法、容量法、x 射线荧光法、和库仑法 等。其中依据法拉第电解定律的库仑法具有快速、准确和重现性好的特点，有 关标准已规定其为仲裁试验。然而，传统的库仑法存在难以确定精确的电解时 间的弊端，从而造成检测误差较大。 本文提出了微分电位检测方法，是对传统库仑法检测的改进。微分电位检 测法是利用微分电路将镀铬层、铬一铁合金层的电解电位对时间微分，将电解电 位的变化转化为尖脉冲波，这样即可精确读取镀铬层、铬一铁合金层的电解时间， 计算镀铬层的厚度。避免了传统库仑法检测中利用电解电位与时间曲线难以精 确的读取电解时间的弊端。减小了检测误差，提高了检测精度。 本仪器在硬件设计中通过采用微分电位法分层、数控恒流源、高精度计时 方式、最佳微分电容选择等新技术，提高了检测的精确度和自动化程度。在软 件设计中优化峰值的采样，并对计算结果进行误差校正。仪器检测误差不大于 1 ，分辨率为o 0 0 1 9 m 2 ，重复性优于o 5 ，技术指标和自动化程度达到和超 过了国际上同类仪器先进水平。本仪器的成功研制，填补了国内专用镀铬量检 测分析仪器的空白。 关键词：镀铬量库仑法微分电位法数控恒流源 a b s t r a c t a si th a st h ea d v a n t a g e so fh i g hh a r d n e s s ，g o o da b r a s i v e n e s sa n dg r a c e f u l a p p e a r a n c e ，c l l r o m ep l a t i n gi sa p p l i e di nh a r d w a r ee m b e l l i s h m e n t ，d o m e s t i ce l e c t r i c a p p l i a n c ea n dm a c h i n em a n u f a c t u r ef a ra n dw i d e b u ti ft h ed e p t ho fc 1 1 r o m ep l a t i n g l a y e ri sl e s st h a n2 0 l ai l l t h ea d v a n t a g e sm e n t i o n e da b o v ec a nn o tb ea c q u i r e d o nt h e o t h e rh a n d ，i fi ti st o ot h i c k , t h ep r i m ec o s tw i l lb et o oh i g h 。i ns u c haf a s h i o n ，t h a t t h ed e t e c t i n go ft h ea m o u n to fc h r o m e p l a t i n gi sv e r yi m p o r t a n t t h e r ea l es e v e r a lm e t h o d st od e t e c tt h ea m o u n to fc h r o m ep l a t i n g ，s u c ha s s p e c t r o g r a p hm e t h o d , c a p a c i t ym e t h o d ，xr a yf l u o r e s c e n c em e t h o da n dc o u l o m b m e t h o d a m o n gt h e m ，t h ec o u l o m bm e t h o dw h i c hi sb a s e do nf a r a d a y e l e c t r o l y s i s l a wi sf a s t ，a c c u r a t ea n dr e p e a t a b l e ，a n dh a sb e e nd e f i n e da sa r b i t r a g et e s ti na r e l a t i v es t a n d a r d ，b u tt h et r a d i t i o n a lc o u l o m bm e t h o dh a st h ed e f e c to f b e i n gu n a b l e t oa s c e r t a i nt h et i m eo fe l e c t r o l y t i cd i s a s s o c i a t i o nt oa l li n c h t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dam e t h o do fd i f f e r e n t i a le l e c t r i cp o t e n t i a l ，w h i c hi st h e i m p r o v e m e n tt ot h et r a d i t i o n a lc o u l o m bm e t h o d t h em e t h o do fd i f f e r e n t i a le l e c t r i c p o t e n t i a lm a k e se l e c t r o l y s i sp o t e n t i a lo fc 1 1 r o m ep l a t i n gl a y e ra n dt h ea l l o yl a y e ro f c h r o m ea n di r o nd i f f e r e n t i a t ea g a i n s tt i m eu t i l i z i n gd i f f e r e n t i a lc i r c u i t ，a n dt h e r e f o r e t r a n s f o r m st h ec h a n g eo fe l e c t r o l y s i sp o t e n t i a lt oac u s p a t ep u l s ew a v e i nt h i sw a y , a na c c u r a t et i m eo fe l e c t r o l y t i cd i s a s s o c i a t i o no fc i l r o m ep l a t i n gl a y e ra n dt h ea l l o y l a y e ro fc h r o m ea n di r o nc a nb ea c q u i r e da n dt h ed e p t ho fc h r o m ep l a t i n gl a y e rc a l l b ef i g u r e do u t t h en e wm e t h o ds u r m o u n t st h ed e f e c to ft h et r a d i t i o n a lo n e ，r e d u c e s t h e m e a s u r i n ge r r o r a n di m p r o v e st h em e a s u r i n gp r e c i s i o n t h ea p p a r a t u su t i l i z e st h ef o l l o w i n gn e wt e c h n i q u e si nt h eh a r d w a r ed e s i g n ： d i f f e r e n t i a le l e c t r i cp o t e n t i a ls t r a t i f i c a t i o nm e t h o d ，n u m e r i c a lc o n t r o la n dr e s i d u a l c u r r e n tp o w e rs o u r c e ，h i g h p r e c i s i o nc l o c k i n ga n do p t i m u md i f f e r e n t i a lc a p a c i t a n c e s e l e c t , w h i c ha d v a n c e st h ed e g r e eo fa c c u r a c ya n da u t o m a t i o n i nt h es o f t w a r e d e s i g n ，t h es a m p l i n gp e a l 【i so p t i m i z e da n dt h ee r r o ro fc a l c u l a t i v er e s u l ti sc o r r e c t e d t h em e a s u r i n gp r e c i s i o no f t h ea p p a r a t u si sl o w e rt h a nl ，r e s o l u t i o ni so 0 0 1 9 m 2 ， r e p e a t a b i l i t yi ss u p e r i o rt o0 5 a n dt h et e c h n i c a li n d i c a t o ra n da u t o m a t i o ne x t e n t a c h i e v ea n de v e ne x c e e dt h ei n t e r n a t i o n a ll e v e lo ft h es a m ea p p a r a t u s t h e s u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h i sa p p a r a t u sf i l l st h ev a c a n c yo fd e d i c a t e dd e t e c t i n g a p p a r a t u so ft h ea m o u n to fc h r o m ep l a t i n gi nc h i n a k e yw o r d s ：t h ea m o u n to fc h r o m ep l a t i n g ，c o u l o m bm e t h o d ，t h em e t h o do f d i f f e r e n t i a le l e c t r i cp o t e n t i a l ，n u m e r i c a lc o n t r o la n dr e s i d u a lc u r r e n tp o w e r s o u r c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：飘忠哥 签字日期： 少口7 年j 月? 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 刃，i 季考 l 导师签名： 签字日期：渺7 年月1 日签字日期：矿哕年月d 文日 第一章引言 第一章弓 言 1 1 镀铬件的镀铬量检测的意义 铬镀层外观优美，呈微蓝色的金属光泽，铬镀层在大气中长久不变色，耐 热性好，在5 0 0 。c 以下其颜色和硬度均无明显变化，温度高于7 0 0 时才开始变 软。 铬镀层硬度高、耐磨性好。其硬度超过最硬的淬火钢，仅次于金刚石。由 于这一优点，使镀铬在机械制造业中得到广泛的应用。装饰铬镀层已广泛应用 于五金和家用电器产品中。镀铬件可显著提高使用寿命，如量具产品镀硬铬， 可提高使用寿命1 8 倍，机床零件镀硬铬，可提高使用寿命4 倍；印刷滚子镀硬 铬，可提高使用寿命1 0 倍。 上述的优点只有当镀层厚度超过2 0um 时【l 】，才能起作用。因此铬镀层厚 度的检测( 简称镀铬量的检测) 显得尤其重要。 1 2 镀铬量检测的方法 1 2 1 传统的镀铬量检测方法 镀铬量的检测方法有光谱仪检测法【2 】和电化学检测澍引。 光谱仪检测法是利用直读光谱仪测定镀铬件的镀铬量，通过选用基体铁元 素作内标，在适宜的激发条件下获得铬元素光强化与镀铬量间的良好线性关系， 该检测方法解决了标样选择、样品易击穿、内标元素光强值稳定性等技术关键。 但该法只适用于等厚和差厚镀铬薄板的检测，两且检测误差大、局限性大、造 价高、难于推广。 电化学检测法又分容量法、x 射线荧光法和库仑法等【4 】【2 0 】，其中，库仑法 具有快速、准确，重现性好等优点，有关标准己将其规定为仲裁试验方法。库 仑法的理论依据是法拉第定律。即给定电极上发生化学变化的物质质量与通过 的电量成正比，电极上每变化一克当量物质所需电量为常数，群9 6 5 0 0 c ( 库 仑) 。 设被测样件发生变化的铬量毫克数为x ，所需电量为q ( c ) ，则 第一章引言 x = 5 1 9 9 6 1 q 9 6 5 0 0 ( m g ) ，单位面积a = r 2 ( m 2 ) ，则镀铬量为 c r = c r l + c r 2 =型掣(互l三五)(gm2-i-96500zr3 ) ( 1 - 1 )， _ z 、 iz 、， 。 式中，c ri 、c r2 为铬层、铬铁合金层铬量，t l 、t 2 为对应的电解时间，系数 2 3 为铬铁合金层中铬量占的比例。 镀铬件的结构剖面如图1 1 ( a ) 所示，传统镀铬量检测装置原理图如图1 1 ( b ) 所示，图1 - l ( c ) 为电解电位与时间变化的曲线( v - t 曲线1 。 匪薹盈艺z 2 艺艺= ：= 删 铬层 铬一铁合金层 钢基 ( b ) v c r 层 c r - f e 层铜基 17 、1 一、 、 、- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 l t lt 2 卜叫t 刊： - ： ( c ) 图1 1 镀铬量的检测 图l 一1 中由铂金丝制做的三个电极作传感器，电极l 、电极2 为电化学反 应电极，电极3 为取样电极，亦即信号取出电极。 该检测装置存在以下缺点： 1 装置体积笨重。 2 人工操作、计算效率低。 3 检测误差大。表现在：恒流精度差( 恒流源精度在m a 级) ；x y 记录 仪计时误差大( 在秒级) ：由人工根据v - t 曲线分层，产生的误差大：不能精确 计算和评价双电层电容充电电流对剥离速率的影响，也不能对此产生的误差加 以适当修正。为此提出微分电位法镀铬量检测。 1 2 2 微分电位法检测镀铬量i s j 上述传统的检测法是依据电极电位与时闻曲线( v - t 曲线) 进行定量的。为 第一章引言 实现对铬层、铬铁合金层界面准确自动分层，本文提出微分电位法检测镀铬量， 其原理如图1 2 所示。利用微分电路将电极电位的微分量检测出来，作适当放 大，便可得到图1 - 3 所示的电极电位微分与时间的d v d 卜1 曲线，其中，t l 、t 2 便是铬层与铬铁合金层、铬铁合金层与钢基层的分层时。通过数据采集、峰 值判断，很容易求出电解时间t l 、t 2 ，从而准确定鼍出c rl 和c r2 。显然，微 分电位法可以在不用记录v 曲线情况下得出检测结果，有利于仪器小型化、 自动化和高精度检测。 势： 图l 一2 微分电位法检测原理图 图i - 3d v d t 一_ t 曲线 微分电位法检测既吸收国际同类仪器各方之长处，又开创了自己的独特优 高精度数控恒流源：检测过程中系统跟踪、修正工作电流微小波动，保证 第一章 - 3 【言 工作电流误差( 0 1 。 精确的计时控制：超高精确度日历时钟芯片和长寿命备用电池，使仪器准 确处于年月、日、时、分、秒计时运行状态。2 4 小时计时误差 4 k 字节可重擦写f l a s h 闪速存储器： 1 0 0 0 次擦写周期； 全静态操作：0 h z 一2 4 m h z ； 三级加密程序存储器： 1 2 8 x 8 字节内部r a m ； 3 2 个可编程i o 口线； 2 个1 6 位定时计数器； 5 个中断源 可编程串行u a r t 通道： 低功耗空闲和掉电模式； 功能特性概述 a t 8 9 c 5 1 提供以下标准功能：4 k 字节f l a s h 闪速存储器，1 2 8 字节内部r a m ， 3 2 个i o 口线，两个1 6 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双 工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，a t 8 9 c 5 1 可降至0 h z 的静态逻 辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止c p u 的工作，但 允许r a m ，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存r a m 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 a t 8 9 c 5 1 的内部结构如图2 _ 4 所示 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 图2 - 4a t 8 9 c 5 1 的内部结构 引脚功能说明 v c c 电源电压； g n d ：地 p 0 口：p 0 口是一组8 位漏极开路型双向i o 口，也即地：啦数据总线 复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8 个丌l 逻辑门电路， 对端口写“l ”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时， 这组口线分时转换地址( 低8 位) 和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电 阻。在f l a s h 编程时，p o 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节， 校验时，要求外接上拉电阻。 p 1 口：p 1 是一个带内部卜拉电阻的8 位双向朐口，p l 的输出缓冲级 可驱动4 个丌l 逻辑门电路。对端口写“l ”，通过内部的上拉电阻把端口拉到 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 高电平，此时可作输入口。 f l a s h 编程和程序校验期间，p 1 接收低8 位地址。 p 2 口：p 2 是个带有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 的输出缓冲 级可驱动4 个t t l 逻辑门电路。对端口写“1 ”，通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平，此时可作输入口。在访问外部程序存储器或1 6 位地址的外部数据存 储器时，p 2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时，p 2 口线上的内容在整个访问期间不改变。f l a s h 编程或校验时，p 2 亦接收高位地 址和其它控制信号。 p 3 口：p 3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向i o 口。p 3 口输出缓 冲级可驱动4 个r n 几逻辑门电路。对p 3 口写入“l ”时，它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口。p 3 口还接收用于f l a s h 闪速存储器编程和程序校验的 控制信号。p 3 口除了作为一般的i o 口线外，还有第二功能，如表2 1 所示： 表2 1p 3 口第二功能 端口第二功能 p 3 0r x d ，串行输入口 p 3 1 t x d ，串行输出口 p 3 2i n t 0 ，外中断0 输入口 p 3 3i n t i ，外中断1 输入口 p 3 4 t o ，定时计数器0 输入口 p 3 5 t 1 ，定时计数器1 输入口 p 3 6w r ，外部r a m 写选通 p 3 7 r d ，外部r a m 读选通 r s t ：复位端。当振荡器工作时，r s t 引脚出现两个机器周期以上高电 平将使单片机复位。 a l e 丽万虿：当访问外部程序存储器或数据存储器时，a l e ( 地址锁 存允许) 输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。即使不访问外部存储器，a l e 仍以时钟振荡频率的l 6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用 于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个a l e 脉冲。 对f l a s h 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲p r o g 。 两落万：程序储存允许( a 丽) 输出是外部程序存储器的读选通信 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 号，当a t 8 9 c 5 1 由外部程序存储器取指令( 或数据) 时，每个机器周期两次歹丽 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 芦露丙信号不出现。 e 脚p ：外部访问允许。欲使c p u 仅访问外部程序存储器，e a 端必 须保持低电平。需注意的是：如果加密位l b l 被编程，复位时内部会锁存e a 端状态。如e a 端为高电平，c p u 则执行内部程序存储器中的指令。f l a s h 存储 器编程时，该引脚加上+ 1 2 v 的编程允许电源v p p ，当然这必须是该器件是使 用1 2 v 编程电压v p p 。 x t a l l ：内部时钟发生器的反相输入端。 x t a l 2 ：内部时钟发生器的反相输出端。 时钟振荡器：a t 8 9 c 5 1 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放 大器，引脚x t a l l 和x t a l 2 分别是该放大器的输入端和输出端。该放大器与 作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，如图2 5 所 示。外接石英晶体( 或陶瓷谐振器1 及电容c l 、c 2 接在放大器的反馈回路中构 成并联振荡电路。外接电容c l 、c 2 的容量大小会影响振荡频率的高低、振荡 器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，所以如果使用石英晶体，电 容推荐使用3 0 p f 士1 0 p f ，而如果使用陶瓷谐振器，电容推荐使用4 0 p f 士1 0 p f 。 也可以采用外部时钟，将外部时钟脉冲接到x t a j l l 端，即内部时钟发生 器的输入端，x t a l 2 则悬空。 x t l 2 x t i 1 a 图2 - 5a t 8 9 c 5 1 的振荡电路 空闲节电模式 a t 8 9 c 5 i 有两种可用软件编程的省电模式，即空闲模式和掉电工作模式。 这两种方式是通过控制电源控制寄存器p c o n 的p c o n 0 和p c o n 1 位来实现 的。p c o n 1 = 1 时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。p c o n 0 = 1 时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式， 即p c o n 0 和p c o n 1 同时为l ，则先激活掉电模式。 在空闲工作模式状态，c p u 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 态，这种方式由软件产生。此时，片内r a m 和所有特殊功能寄存器的内容保 持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。 终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激 活p c o n 0 被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入 中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随中断返回指令后，下一条要执行的 指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。 其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件 复位来终止空闲工作模式时，c p u 通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指 令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器 周期( 2 4 个时钟周期) 有效，在这种情况下，内部禁止c p u 访问片内r a m ，而 允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条 指令后条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。 掉电模式： 在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行 的指令，片内r a m 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出 掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不 改变r a m 的内容，在v e t 恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持 一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。空闲节电模式和掉电模式外部引脚状 态如表2 2 所示。 表2 2 空闲和掉电模式外部引脚状态 模式 r o ma l e p s e n p 0p lp 2p 3 空闲模式内部 1l 数据数据数据数据 空闲模式外部ll浮空数据地址数据 掉电模式内部 0 o数据数据数据数据 掉电模式 外部0o浮空数据数据数据 程序存储器的加密： a t 8 9 c 5 1 可使用对芯片上的3 个加密位l b l 、l b 2 、l b 3 进行编程或不编 程来得到如表2 3 所示的功能： 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 表2 - 3a t 8 9 c 5 1 加密位对应的功能 程户e 加密位 保护类型 l b ll b 2 l b 3 1 不编程 不编程不编程无程序保护功能 禁止从外部程序存储器中执行m o v c 指令读 2编程不编程不编程 取内部程序存储器的内容 禁止扶外部程序存储器中执行m o v c 指令读 3 编程编程不编程 取内部程序存储器的内容，禁止程序校验 禁止从外部程序存储器中执行m o v c 指令读 4编程编程编程 取内部程序存储器的内容，禁止程序校验，禁 止外部执行 当加密位l b l 被编程时，在复位期间，e a 端的逻辑电平被采样并锁存， 如果单片机上电后一直没有复位，则锁存起的初始值是一个随机数，且这个随 机数会一直保存到真正复位为止。为使单片机能正常工作，被锁存的e a 电平 值必须与该引脚当前的逻辑电平一致。此外，加密位只能通过整片擦除的力法 清除。 t 亘) f l a s h 闪速存储器的编程： a t 8 9 c 5 1 单片机内部有4 k 字节的f l a s he p r o m ，这个f l a s h 存储阵列出厂 时已处于擦除状态，用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压( + 1 2 v ) 或低电压( v e t ) 的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而 高电压编程模式可与通用e p r o m 编程器兼容。 a t 8 9 c 5 1 单片机中，有属于低电压编程方式，也有高电压编程方式，用户 可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息，如表2 4 。 表2 - 4a t 8 9 c 5 1 芯片信息 v p v = | 2 vv p p = 5 v a t 8 9 c 5 la r 8 9 c 5 l 芯片顶面标示x x xx x x 一5 y y w wy y w w ( 3 0 h 户1e h( 3 0 h 户1 e h 签字字节 ( 3 1 h 声5 1 h( 3 1 h 户5 i h ( 3 2 h ) = 0 f f h( 3 2 h ) = 0 5 8 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 a t 8 9 c 5 1 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字 节，要对整个芯片内的e p r o m 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦 除的方式将整个存储器的内容清除。 编程方法： 编程前，须按表2 5 和图2 - 6 所示设置好地址、数据及控制信号，编程单 元的地址加在p 1 口和p 2v 1 的p 2 0 - p 2 3 ( 1 1 位地址范围为0 0 0 0 h 0 f f f h ) ，数 据从p 0 口输入，弓l 脚p 2 6 、p 2 7 和p 3 6 、p 3 7 的电平设置见表6 ，p 一面为 低电平，r s t 保持高电平，历p p 引脚是编程电源的输入端，按要求加上编 程电压，a l e 丽万虿引脚输入编程脉冲( 负脉冲) 。编程时，可采用4 - 2 0 m h z 的时钟振荡器，a t 8 9 c 5 1 编程方法如下： 在地址线上加要编程单元的地址信号。 在数据线上加要写入的数据字节。 激活相应的控制信号。 在高电压编程方式时，将历v p p 端：! j h + 1 2 v 编程电压。 每对f l a s h 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个 a l 彤丽万虿编程脉冲。改变编程单元的地址和写入的数据，重复1 5 步骤，直到全部文件编程结束。每个字节写入周期是自身定时的， 通常约为1 5 m s 。 表2 5f l a s h 存储器编稃真值表 方式r s tp s e na l 彤尸尺d ge an 即p 2 6 p 2 7p 3 6 p 3 7 写代码数据hl二篮h 1 2 vl hhh 读代码数据 hlhh llhh 写 b i t lhl 二1 h 1 2 vhhhh 加b i t 2h l - 、厂 h 门2 vhhll 密 b i t - 3 hl、厂h 1 2 vhlhl 位 片擦除hl二近h 1 2 vhlll 读签名字节hlhhl l ll 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 + 5 v a 0 - a 7 p 1 1： p 2 0 - p 2 3p 0p g 瓢d a t a a 8 一a 1 1 - p 2 6a l e p 2 7 p 3 6 一陆 p 3 t i 上 x t a l 2e a j t 弋 lt x t a l l r s i v i g n dp s e n 上 图2 _ 6 程序校验电路图 数据查询： a t 8 9 c 5 l 单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周 期中，如需读取最后写入的那个字节，则读出的数据的最高位( p o 7 ) 是原来写入 字节最高位的反码。写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此 时，可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。 r e a d y b 一 ：字节编程的进度可通过“r d y 吾歹歹输出信号监测，编程期 间，a l e 变为高电平后p 3 4 ( r d y 丽歹) 端电平被拉低，表示正在编程状态( 忙 状态) 。编程完成后，p 3 4 变为高电平表示准备就绪状态。 程序校验： 如果加密位l b l ，l b 2 没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读 回原编写的数据，程序存储器的地址由p l 和p 2 口的p 2 0 p 2 3 输入，数据由p 0 口读出，p 2 6 、p 2 7 和p 3 6 、p 3 7 的控制信号如表6 所示，a 趸丙保持低电平， a l e 、以和r s t 保持高电平。校验时，p o 口须接上1 0 k 左右的上拉电阻。 加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。 芯片擦除： 利用控制信号的正确组合( 表2 5 ) ，并保持a l e 雨万万引脚1 0 m s 的低电 平脉冲宽度即可将e p r o m 阵罗；i j ( 4 k 字节) 和三个加密位整片擦除。代码阵列在 片擦除操作中将任何非空单元写入“1 ”，这步骤需再编程之前进行。 读片内签名字节： a r 8 9 c 5 l 单片机内有3 个签名字节，地址为3 0 h 、3 1 h 和3 2 h 。用于声明 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 该器件的厂商、型号和编程电压。读签名字节的过程和单元3 0 h 、3 1 h 及3 2 h 的正常校验相仿，只需将p 3 6 和p 3 7 保持低电平，返回值意义如下： ( 3 0 h ) = le h 表明产品由a t m e l 公司制造。 ( 31 h ) = s 1 h 表明为a t 8 9 c 5 1 单片机。 ( 3 2 h ) _ o f f h 表明为1 2 v 编程电压。 ( 3 2 h ) = 0 5 h 表明为5 v 编程电压。 编程接口： 采用控制信号的正确组合可对f l a s h 闪速存储阵列中的每一代码字节进行 写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后它将自动定时 到操作完成。 ( 2 ) 片外存储器6 2 2 5 6 8 9 c 5 1 片内只有1 2 8 字节r a m ，向外扩展数据存储器【8 】，设计中采用i n t e l 公司的s i u m 芯片6 2 2 5 6 。 0 ) 6 2 2 5 6 的主要技术参数 容量：3 2 k b ； 工作电压：+ 5 v ； 典型工作电流：8 m a ； 典犁维持电流：0 5 9 a ： 引脚图及功能 引脚如图2 7 所示，其功能如下： a o 以1 4 ：地址输入线，地址范崮为2 ； b i 0 7 ：双向数据线： o e ：读选通输入线，低电平有效； w r ：写允许信号输入线，低电平有效； c e ：片选信号输入线，低电平有效； v e x ：工作电源+ 5 v ： g n d ：地线： 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 图2 - 76 2 2 5 6 引脚图 ( 3 ) 时钟电路 在该仪器的设计中，除了要求以单片机为核心进行数据采集、数据处理和 显示打印功能以外，往往还要求给出准确的操作时间和日期，以便对检测样片 的管理和建档。与过去所使用的一些电子日历时钟芯片( 如mc 1 4 6 8 1 8 ) 相比， p c f 8 5 8 3 是串行总线扩展方式，只需要通过单片机并行i o 口的两条引脚模拟 1 2 c 总线的数据线s d a 、时钟线s c l 就可以完成对p c f 8 5 8 3 的参数设置、读取 日期和时间数据等操作。由此可见，p c f 8 5 8 3 具有接口简单，占用单片机资源 少等优点【9 j 。 p c f 8 5 8 3 的内部结构 p c f 8 5 8 3 是一个低功耗的8 脚芯片。其内部结构包括：振荡器和分频器电 路，上电复位电路，串行1 2 c 总线接口电路，地址寄存器，控制逻辑电路和2 5 6 字节的静态r am 存储单元。其中地址为0 0 h 的r a m 单元为控制状态寄存器。 地址为0 1 h 一0 f h 的r am 单元为专用的计时器数值寄存器。其余的2 4 0 个字 节可以作为通用的数据存储器。p c f 8 5 8 3 的整体内部结构如图2 8 所示。 c 3 o 叮一呃m船曲舭饨虬一旺vvvv 捣盯弱孙m约挖殂扣坞培埔蝎 2 3 4 5 6 7 8 9 加坦婚m 4 2 1 6 5 4 3 2 l 0 0 l 2 匝小舭解：昌蜗m们艋舭加肋m舰 工i i 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 图2 - 8p c f 8 5 8 3 芯片结构图 p c v s s 8 3 的引脚功能 v d d ：工作电源( + 5 v ) ： v s s ：公共地( g n d ) 弓i 脚； o s c i 、o s c o ：时钟计数脉冲引脚。在日历时钟方式下，o s c i 、o s c o 引脚外接晶体振荡器，通过设控制字可以选择晶体频率为3 2 7 6 8k h z 或5 0 h z 。在计数方式下，o s c i 引脚接计数脉冲，而o s c o 引脚悬空。 a o ：地址输人引脚； s d a ：1 2 c 总线的串行数据引脚； s c l ：1 2 c 总线的串行时钟引脚； 厨彳：中断输出信号引脚。 p c v s s s a 的控制状态寄存器 p c f 8 5 8 3 的控制状态寄存器为一个8 位寄存器，位于其内部r a m 的0 0h 单元。 d 7 ：运行控制位。d 7 = 0 为启动运行( 开始对振荡器或外部输人脉冲计 数) ；d 7 = l 为停止运行( 停止计数，复位分频器) ： d 6 ：计数器状态位。d 6 = 0 正常计数；d 6 = l 保持、存储最新的计数值； d 5 、d 4 ：功能方式设置位。d 5d 4 = 0 0 为3 2 7 6 8 k h z 的时钟方式： d 5d 4 - - 0 1 为5 0h z 的时钟方式； d 5d 4 = 1 0 为事件计数方式： d 5d 4 = 1 1 为测试方式； d 3 ：屏蔽位。d 3 = 0 读0 5 h ，0 6 h 单元内容时不屏蔽( 正常读出全部内 容1 ； 第二章新型镀铬量检测分析仪的电路设计 d 3 = i 读0 5 h ，0 6 h 单元时屏蔽年份、星期内容( 只读月、 日数值1 ： d 2 ：起闹允许位。d 2 = 0 禁止起闹( 禁止触发起闹标志) ； d 2 = i 允许起闹( 0 8 h 单元为起闹控制寄存器) ： d 1 ：在d 2 = l 时为起闹标志位。d 1 = o 表示未到闹钟设置时间； d i = i 表示已到闹钟设置时间； 在d 2 = 0 时为分标志位： d o ：在d 2 = i 时为计时器标志位； 在d 2 = 0 时为秒标志位。 向各个计时数值寄存器( 0 1 h 一0 6h 单元) 送初值时，应使计时器停止运行 ( 使控制寄存器的d 7 位= “0 ”) 。而初值设置完毕，启动计时器时需要将控制寄 存器的d 7 位设置为“l ” ( 互) p c f 8 5 8 3 的计时数值寄存器 1 1 0 0 秒数值寄存器 0 1 h 单元1 本单元存放两位b c d 码，其中低位存放1 1 0 0 秒数值，范围为肚9 。 高位存放1 1 0 秒数值，范围为肛9 。 秒数值寄存器 0 z h 单元 本单元存放两位b c d 码，其中低位存放秒数的个位数值，范围为。 高位存放秒数的十位数值，范围为峭。 分数值寄存器 0 3 h 单元】 本单元存放两位b c d 码，其中低位存放分钟的个位数值，范围为肌9 。 高位存放分钟的十位数值，范围为。 小时数值寄存器 0 4 h 单元】 本单元的d 3 d o 四位为小时的个位数值，用b c d 码形式存放，数值范围 为0 - - , 9 。 d 5 d 4 两位存放的是小时的十位数值。其数值范围受d 6 、d 7 位控制。 d 6 位为a m p m 标志。d 6 = l 为a m ；d 6 = 0 为p m 。 d 7 位是计时类犁选择位。d 7 = i 为1 2 小时制。( 此时d 6 位有效并变化) d 7 = 0 为2 4 小时制。( 此时d 6 位无意义) 年日数值寄存器 0 5 h 单元1 该单元的d 3 一d 0 四位为口的个位数值，用b c d 码形式存放，数值范围 为肚9 。 d 5 d 4 两位存放口的十位数值。数值范围为0 - - 3 。 d 7 d 6 两位存放的是年份的相对数值，其范围为0 0 - - 1l 。 第二章新型镀铬最检测分析仪的电路设计 由此可见，如果使用时间超过4 年， p c f 8 5 8 3 重新初始化。 星期月数值寄存器 0 6 h 单元】 该单元的d 3 d 0 四位为月的个位数值， 0 - - 9 。 由于润月的问题，要通过程序对 用b c d 码形式存放，数值范围为 d 4 存放月的十位数值，数值范围为啦! 。 1 2 c 总线 1 2 c 总线结构 硬件节点： 主器件节点：系统中由单片机或其它微处理器构成的节点。此类节点可以 对i 2 c 总线实现主动控制。 外围器件节点：系统中不包含c p u 的外围器件构成的节点。 1 2 c 总线工作时的控制器： 主控器：i 2 c 总线工作时，任何一个主器件节点都能对总线实现控制。当 某个主器件节点控制了总线的时候，称为主