（通信与信息系统专业论文）镀镍件镀镍量检测分析仪的研究.pdf

摘要 随着微电子技术和信息技术的发展，自动检测技术已成为一些发达国家的最 重要的热门技术之一。在现代工业、农业、国防、交通、医疗、科研等各行业， 检测技术的作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们传输各 种有用的信息。 为了精确测量镀镍件的镀量，提高镀镍件生产和进口的质量，对镀量检测方 法进行了细致的研究，克服了传统检测方法在原理上的缺陷，从根本上解决了检 测精度问题。 本课题根据电解剥离原理，分别用稀盐酸和n a c i 作电解液，采用微分电位 法，解决了镀镍件各层界面自动分层难题，对双电层电容充电电流引起的测量误 差也作了修正。研制出的检测仪以c y g n a lf 0 0 5 单片机作为智能部件，既可提供 本机显示和打印测量结果的功能，又能通过u s b 接口与上位机配合使用。仪器测 量精度冬1 ，分辨率o 0 0 1 9 m 2 ，重复性优于0 5 。 经过测试证明本仪器的性能指标完全达到了国际上同类仪器的先进水平。本 测量仪器小型轻便、操作简便、自动化程度高、检测数据精确、价格较低，特别 适用机械和汽车生产行业，具有良好的经济和社会效益，应用前景极广阔。 关键词；微分电位法，电解剥离，双电层电容，c y g n a lf 0 0 5 单片机，数控恒流 源 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c a i t e c h n o l o g y a n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p o p u l a rt e c h n o l o g i e si ns o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e s n o wi nm a n ya r e a ss u c ha s i n d u s t r y , a g d c u l t u r e ，n a t i o n a ld e f e n s e ，t r a n s p o r t a t i o n ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，s c i e n t i f i c r e s e a r c h ，m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a v eb e e ne f f e c t i n gm o r ea n dm o r e ，m e a s u r e m e n t e q u i p m e n t sc a nt r a n s m i tm a n yu s e f u li n f o r m a t i o nc o n t i n u a l l yl i k en e r v ea n ds e n s e o r g a n i no r d e rt oa c c u r a t e l yd e t e c tt h ep l a t i n ga m o u n ta n di m p r o v et h em a n u f a c t u r i n g a n di m p o r t e dq u a l i t yo fn i c k e l p l a t i n gb o a r d ，c a r r yo nam e t i c u l o u sr e s e a r c ht oe x a m i n a t i o n m e t h o do fp l a t i n gq u a n t i t y , o v e r c a m et h eb l e m i s ho nt h ep r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a le x a m i n a t i o n m e t h o d ，r e s o l v et h ep r o b l e mo f t h ee x a m i n a t i o na c c u r a c yb yt h er o o t b a s e do ne l e c t r o l y t i cd e l a m i n a t i o np r i n c i p l e ，u s i n gr a r eh y d r o c h l o r i ca n dn a c 1 a se l e c t r o l y t es o l u t i o n ，t h ep a p e ra d o p t st 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 cp o t e n t i a lt o s o l v et h ep r o b l e mo f b e i n gd i f f i c u l tt ol a m i n a t ea u t o m a t i c a l l yo ft i n - p l a t i n gb o a r da n d z i n c p l a t i n gb o a r d ，i ta l s or e a d j u s t st h ee r r o rr e s u l t i n gf r o mt h ec h a r g i n gc u r r e n to f d o u b l ee l e c t r i c a l l a y e r c a p a c i t a n c e s t h e p l a t i n g d e t e c t o ru s e s s i n g l e c h i p m i c r o p r o c e s s o rc y g n a lf 0 0 5a si n t e l l i g e n tp a r t , a n dc a nn o to n l yd i s p l a ya n dp r i n tt h e r e s u l t si t s e l f , b u ta l s oc o o p e r a t ew i t ht h eu p p e rm a c h i n et h o u g hau s bi n t e r f a c e t h e m e a s u r i n ga c c u r a c yo ft h ea p p a r a t u si sl o w e rt h a n1 ，t h er e s o l u t i o ni so 0 01g m 2 a n dt h er e p e t i t i o ni ss u p e r i o rt o0 5 t h ed e t e c t o rh a st h ea d v a n t a g e so fb e i n gp o r t a b l e ，e a s yt o o p e r a t e ，h i g h a u t o m a t i c ，a c c u r a t ea n dl o w - p r i c e ，a n dh a sh i g he c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t sa n d e x p a n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm e c h a n i c a li n d u s t r ya n dm o t o r c a rm a n u f a c t u r e i n d u s t r y k e yw o r d s ：t h em e t h o do fd i f f e r e n t i a l ，e l e c t r i cp o t e n t i a l ，e l e c t r o l y t i cd e l a m i n a t i o n ， d o u b l ee l e c t r i c a l l a y e rc a p a c i t a n c e ，s i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o rc y g n a lf 0 0 5 ， 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 rs 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，也不包含为获得叁鲞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：澎险 签字日期： 吲年，月，a 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞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： 舀织 签字日期：) 砷年7 月，9 f 1 导师签名： 泐争镀 签字日期：7 , o d7 年f 月f 伊同 df 。 f w 一 箍二重绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 目前镀镍金属板在工业上应用十分广泛，镀镍板主要用于汽车、建筑、家电、 机械与轻工行业。近年来由于中国汽车、机械、家电工业的迅猛发展，镀镍板的 消费量直线上升，目前全球镀镍金属板市场处于供不应求的格局【l j 。 在中国大陆与镀镍生产、使用和商检相关的企、事业单位多达2 0 0 0 家，全 球更多达4 万多裂引。 镀镍板镀量检测是生产、使用和商检单位非常重要的质检工序，镀层的厚度 ( 镀量) 直接影响板的质量和成本：镀层太薄会导致质量不过关；镀层太厚会加 大生产成本【3 】。此外，我国每年进口大量的镀镍板，若检测不精确，会把镀量不 够的进口次品材料当合格品，给国家造成极大的经济损失。 传统的镀量检测系统存在测量精度较差、重复性差、操作不方便、价格高( 一 般单位无力购买) 等缺点，因此镀量的测量问题一直困扰生产、使用和商检单位， 并已成为制约生产质量、效率和效益的瓶颈问题。 因此，社会迫切需要一种新型的性能稳定、精度高、重复性好、操作方便、 价格低廉的自动检测仪器。 本课题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 电容选择和u s b 等新技术，提高了测量的精确度和自动化程度。对双电层电容充 电电流引起的测量偏差自动修正，保证了测量的可靠性。仪器测量精度小于或等 于1 ，分辨率0 0 0 1 9 m 2 ，重复性优于0 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。本仪器的研制，将填补国内专用镀镍镀量测量分 析仪器的空白。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 光谱仪测量法 利用直读光谱仪测定镀镍薄板的镀镍量，通过选用基体铁元素作内标，在适 宜的激发条件下获得镍元素光强化与镀镍量间的良好线性关系，该测量方法解决 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【4 1 。但该法只适用 于等厚和差厚镀镍板的测量，而且测量误差很大，局限性大、造价高，难于推广。 1 2 2 传统的电化学测量法 由于镀镍板在制造上不可能完全等厚或差厚，因此要保证检测精确，从测量 方法上讲，选择电化学法是最准确的。传统的镀量测量法是依据电极电位变化曲 箍= 童绪论 线( v - t 曲线) 进行测量的，测量装置存在以下主要缺点： 装置体积笨重。 人工操作、计算，效率低。 测量误差大。具体在下面四个方面： 恒流精度差。恒流源精度在m a 级。 x y 记录仪计时在秒级，因此误差大。 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。 1 2 3 微分电位法测量 上述传统的测量法是检测电极电位的变化点，由于变化点起始和结束时间是 一个范围，因此误差较大。 为实现对n i 层、n i f e 合金层界面准确自动分层，本课题提出微分电位法， 即通过微分电路将缓变“斜坡”变为脉冲，定位“峰”的时间，大大提高了检测精度。 利用微分电容c 将电位变化量检测出来，作适当放大，便可得到d v d t - t 曲线， 若设t l 、t 2 为n i 层与n i f e 合金层、n i f e 合金层与f e 基层的分层时刻，那么 通过数据采集、峰值判断，很容易求出电解时间t l 、t 2 ，从而准确定量出n i l 和 n i 2 。 显然，微分电位法可以在不用记录v - t 曲线情况下得出测量结果，有利于仪 器小型化、自动化和高精度测量。 微分电位法测量既吸收国际同类仪器各方之长处，又开创了自己的独特优 势： 高精度数控恒流源 测量过程中系统跟踪、修正工作电流微小波动，保证工作电流误差， o 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 1 秒。 自动修正 对双电层电容充电电流引起的测量误差自动修正。 自动进液、退液 双电解池结构，自动进液、退液，操作方便，测量准确、快捷。 自动查找 用轮流显示的方法可查找电流设置值，镍层电解时间、镍铁合金层电解时 间、镍层含镍量、镍铁合金层含镍量、和总镍层含镍量。 箍二重绪论 数据保存保存设置参数、测量结果，关机不丢失。 1 - 3 本课题的研究主要内容 本课题采用微分电位法实现镀量测量，根据电解剥离原理，采用微分电位 法，解决了各层界面自动分层难题。利用微分电路将电位变化量变成脉冲，得到 d v d t - t 曲线，将脉冲放大后通过数据采集、峰值判断，很容易求出电解时间， 从而准确求出镍量。 课题主要研究内容涉及到三个方面的内容：镀量检测的化学原理和定理，系 统的软、硬件设计，系统的误差分析与校正。本课题主要对后两部分进行研究： 系统的硬件设计是课题的关键，在镀量检测中镀件的层的分界处理是测量精度的 重要保证。系统主要由数据处理、电机控制、打印、显示和电解池五部分组成。 分析误差和校正误差是课题的主要工作，影响精度主要有：计时精度( 电解时间 t ) 、样片剥离面积( 样片半径r ) 、电解电流精度( 电解电流i ) ，通过方案论证 和反复实践找到了解决三方面误差的最佳方法。检测仪以c y g n a lf 0 0 5 单片机作 为智能部件，既可提供本机显示和打印测量结果的功能，又能通过u s b 接口与 上位机配合使用。 簋三重捡测健的基奎堡纶 第二章检测仪的基本理论 2 1 镀镍板( 件) 的基本结构 所谓镀镍( 薄) 板，简单一点讲就是在很薄的软钢板( 0 1 2 0 3 5 m m ) 上，用电 镀( 电沉积) 的方法，镀上一层镍，镍层的厚度一般在0 3 1 5 微米【5 j 。在钢基板 与纯镍层之间的界面上，还有一层镍铁相互渗透而形成的所谓镍铁合金层。这一 层合金层，过去是在生产过程中的某些加工环节中不自觉出现的，后来当认识到 此合金层在防蚀上的价值和贡献后，人们就通过改变生产条件来控制这一层的结 构和品质。一般将此合金层厚度控制为镍层的十分之一厚( o 0 3 - - 0 2 微米) 。 此外，在镀层的表面，由于空气使镍氧化，所以也必然会形成一层很薄的氧 化镍层，厚度一般仅有几十埃，过去，此层也是由于生产完毕后( 涂油前) 自然形 成的。同样，在人们认识到它对防蚀有所贡献和影响后，人们就自觉地通过生产 技术来控制这一层的品质和结构。在镀镍板表面上一般还涂有一层油。 镀镍板的结构如图2 1 所示，油膜，钝化膜和合金层都比较薄，但在防蚀方 面，都有一定的贡献，油膜可以防止擦伤和氧化，但若油膜和钝化膜过厚，会导 致涂印困难和涂膜附着力下降。若镍铁合金层致密连续，就能有效地防止酸蚀， 但若它太厚太脆，又会在薄板加工弯曲等操作中损坏，因此一般在生产时，尽量 使其厚度为镍层厚的十分之一。 当然，镀镍板的质量主要还是由镍层和钢基来决定的【6 】。对镍层的要求是 要有一定的厚度微孔尽量的少；对钢基的要求是成份纯净，符合标准机械 性能良好，适于加工，表面清洁，易获良好镀层。 图2 1 镀镍板的结构 4 箍三耄捡测i 2 ；：殴基奎理论 在轧钢工业中，镀镍板和镀镍板的生产属于比较高级的技术。在一定的工艺 条件下，镀镍量的多少，能增减镀层的覆盖能力，而镀层的孔隙度与厚度大致成 平方反比关系 7 1 ，考虑到经济上的因数，检测镀镍量是非常重要的。镀镍量的检 测既是生产和使用厂家非常重要的质检工序，又是质量监督部门的重要检测项 目。 对检测来说，由于油膜和氧化膜需先除去，所以上述的双面镀镍板的剖面结 构可简化如图2 2 所示，它由钢基、镍铁合金层和镍层组成。 腻蕊怒惑蕊测 耽移纪杉彩钐彭彩移彩形彩彩彩纠 7 锕基j f 髟钐彩移彰形彭彩竣形r 黝 心蕊慧蕊蕊 镍层 镍铁合金层 镍铁合金层 镍层 图2 2 镀镍板的剖面结构 基于图2 2 所示的镀镍和镀镍板结构基础，检测方法很多，无论是经典的化 学法，还是现代的光谱法都存在检测设备昂贵、检测精度差、检测手段烦琐等致 命缺点。因此国内外普遍采用电解剥离法来检测镀镍量，本课题提出微分电位 法是电解剥离法的一种。 2 2 镀镍量测量原理与法拉第电解定律 电解过程中，在电极上析出的物质的重量与通过电解池的电量的关系，遵循 法拉第定律，可用下式表示 形：竺d( 2 1 ) 刀f 。 式( 2 1 ) 中，w 为物质在电极上析出的g 数；m 为分子量；1 1 为电子转移数；f 为法拉第常数，1 f = 9 6 5 0 0 c ；q 为电量，以c 为单位。如果通过电解池的电流恒 定，则 q = t( 2 2 ) 将式( 2 2 ) 代入( 2 1 ) 式，得 缈：一m t ( 2 3 ) 如果通过电解池的电流不恒定，则 q = f f l d t ( 2 4 ) 筮三童捡测仅的基奎理论 法拉第定律的正确性已经被大量的实验所证实，它不但适用于溶液和熔融电解 质，也适用于固体电解质导体。 依据法拉第定律也适用于固体电解质导体，在通过电解池的电流恒定的情况 下，对电解镀镍板有：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( 9 6 5 0 0 库仑) 。此电量与析出物质 性质、电解液浓度、电流密度都无关。 电解剥离检测法的另一个技术依据是：当金属表面的某种镀层( 这里是镍层 和镍铁合金层) 全部电解剥离完以后，相对同一个电极表面电位会产生跃变【8 】。 这是由于不同金属表面，在任一电解质中各自有其不同的电极电位的特征。 电位的跃变，很容易测出( 如用电位差计测量等) ，如果设定了电解电流， 且测定了电解时电位的跃变时刻，则 q = i ( 殛一珞) ( 2 5 ) 再从法拉第( 电解当量) 定律，立即就能推算出该面积上镀层的总质量，即 平均厚度，亦即镀量。 镀镍板电解剥离的电极电位跃变曲线( v - t 曲线) 如图2 3 所示1 9 1 。 i v l 图2 3 镀镍板电极电位跃变曲线 t 对镀镍量检测，如果被测样片在阳极上发生变化的镍量为x ( 毫克) ，所需 电量为q ( c ) ，则x = 5 8 6 9 q 9 6 5 0 0 ( m g ) ，单位面积a = 兀r 2 ( m 2 ) 镀镍量为 n i = n i ，+ n i ：= 三坠9 堡6 5 掣0 0 n r ( 互+ 詈正) ( g 聊2 ) ( 2 6 ) 2 3 、 式( 2 6 ) 中，n i l 、n i 2 为镍层、镍铁合金层镍量，对应的电解时间t l 、t 2 ， 鲁为镍铁合金层中镍量占的比例，是电解电流，尺是样片半径。 j 国内镀镍板行业依据图2 3 所示电极电位变化曲线，采用传统镀镍量测量装 置，传统的测量装置原理图如图2 4 所示。 6 图2 4 传统的测量装置原理图 图2 4 所示传统测量装置中的恒流源要求能供出0 - - 5 0 0 m a 的直流，研究电 极装样片，样片只有单面与电解液接触，辅助电极用石墨。测试时，将电流源的 正、负端分别与样片( 研究电极) 和阴极( 辅助电极) 相连，用毫安表监控电流， 使之为某一电流值，此时电解池内的研究电极和辅助电极间就造成了恒流电解反 应( 为了使电解均匀，除样片要用丙酮清洗和对石墨阴极清洗外，还必须使研究 电极与辅助电极中心正对) ，将研究电极和参考电极的电位同时接入x y 记录 仪，此记录仪就会连续记下样片( 阳极) 相对于参考电极的电位变化曲线。依据 该曲线可以量测出从开始到电位第一次上升( 镍层完全电解下来了) 的时间t a 和由此到电位第二次上升( 合金层完全电解下来了) 之间的时间t b 。 若已知恒流电流和样片半径，就能分别求出样片表面纯镍量和合金层中镍 量，两者相加就得到总镀镍量。 综合上述，该测量方法存在测量误差大、自动化程度低等缺点，因此必须改 进检测方法，为此提出种微分电位检测法。 微分电位检测法的提出的核心问题在：只有准确判断n i 层、n i f e 合金层的 分界点，才能准确测量出n i 、n i f e 中镍的含量，那么总含量的测量也就准确了。 虽然通过电极电位跃变曲线( v 0 曲线) 能判断n i 层、n i f e 合金层的分界， 但由于电位跃变速度较慢( 是一个时间段) ，这样“分界点”就会是一个范围，很 难精确判断确切的分界点。只有把电位跃变的时间段的中点找出来，才能精确判 断出分界点。 筮三童检测丛的基奎堡i 金 观察电位跃变曲线( v - t 曲线) 的电位跃变部分的曲线，发现其可近似为某一 斜率的直线，显然可以通过微分电路，将其变为以跃变时间段的中点为中心的脉 冲，这样就实现了对n i 层、n i f e 合金层界面准确自动分界。 本课题提出的微分电位检测法的工作原理如图2 5 所示，利用微分电路将图 2 3 所示电极电位跃变变为脉冲，将脉冲作适当放大，便可得到图2 5 所示的 d v d t t 曲线。图2 5 中，t l 、t 2 便是n i 层与n i f e 合金层、n i f e 合金层与钢基的分 层时刻。 图2 5 微分电位检测法的工作原理 根据微分电位检测 法的工作原理，通过数 据采集、软件峰值判断， 很容易求出n i 层的电解 时间t l 和n i f e 合金层电 解时间t 2 ，从而准确定 量出n i l 和n i 2 ，根据 n i = n i l + n i 2 可求出总 镀量。 显然，微分电位法 可以在不用记录v 曲 线情况下得出测量结 果，有利于实现仪器小 型化、自动化和高精度 测量。 根据微分电位检测法的工作原理，设计出如图2 6 所示微分电位法的检测装 置原理图，与传统的测量装置原理图比较，图2 6 所示微分电位法的检测装置有 如下主要优点： ( 1 ) 采用数控恒流源，电解电流设定、调节方便，电解电流值精确度高。 ( 2 ) 研究电极( 样片) 始终处于真正地电位，从参考电极引出测试信号，避免 了干扰，使电极电位测量方便、准确。 ( 3 ) 微分电路的微分电容可编程选择，使整个在电解电流范围内都能满足产生 理想分层峰的要求。 图2 6 微分电位法的检测装置原理图 9 筮三童缝住组盛厘王佳厦堡 第三章硬件组成及工作原理 3 - 1 测量系统应具备的功能和性能指标 3 1 1 测量系统的功能要求 ( 1 ) 能实现镀镍样片测量。 ( 2 ) 能方便更换电解液。 ( 3 ) 测量过程中系统能跟踪、修正工作电流的微小波动。 ( 4 ) 仪器能准确按年、月、日、时、分、秒计时。 ( 5 ) 能对双电层电容充电电流引起的测量误差自动修正。 ( 6 ) 电解池能自动进液、退液。 ( 7 ) 能用轮流显示的方法可查阅电流设置值和各层电解时间及各层含镍量。 ( 8 ) 能保存、打印设置参数、测量结果，且关机数据不丢失。 3 1 2 测量系统的性能指标要求 ( 1 ) 测量不确定度：s l ( 2 ) 重现性： 0 5 ( 3 ) 分辨率：0 0 0 1g m 2 ( 4 ) 测量范围：0 0 0 9 9 9 9 9 m 2 ( 5 ) i 作电流范围：o 1 0 0 m a ，精度 0 1 ( 6 ) 计时范围：0 0 0 0 0 0 - 9 9 9 9 9 9 s ( 7 ) 可依次设定连续测量样片数( 单面) ：9 9 个 ( 8 ) 样片尺寸：2 6 m m ，腐蚀尺寸2 2 m m ，偏差 o 0 1 l l l m ( 9 ) i 作温度：一5 + 4 5 ( 1 0 ) 冷却方式：风冷 ( 1 1 ) 贮存温度：0 5 0 ( 1 2 ) t 作湿度：5 3 0 ( 2 ， ( 13 ) 贮存湿度：0 c - 5 0 c ， ( 14 ) 预热时间：5 ：2 0 m i n ( 1 5 ) 电源电压：2 2 0 v m 0 ( 1 6 ) 电源频率：5 0 h z 9 0 0 ：3 0 - , 4 0 ， 7 5 9 5 ( 17 ) 仪器功耗：主机1 13 w ；电解池l2 w ( 1 8 ) # i - 形尺寸：主机不超过3 1 0 m m x 2 9 0 m m x l 0 5 r a m ( 1 9 ) 电解池：不超过2 8 0 m m x l 8 0 m m x l 9 5 m m ( 2 0 ) 重量：主机o乱0正l艮nq 也d “也4 主ill 望i - - 舌i - - 圣；i ；量sg ； x xa 图3 2 c y g n a lf 0 0 5 管脚图 f 0 0 0 5 片上集成有6 4 k b f l a s h 、2 3 0 4 b 内部r a m ( 可外扩至6 4 k b ) 、8 通 3 2 6 7启7，n d 廿o ，2 3 m 鸭勉跎旧即刚阱雕列刚眩 景器篇然燃然篇絮 簋三童理住组感厘王佳厦垄 道1 2 位精度的高速、通用a d 转换器( 带有采样保持功能) 、2 路1 2 位d a c 、2 路 模拟比较器( 可实现电压比较或基准电压的输出) 、内部电压基准( 片内还有1 个 1 5 l o 。6 的电压基准，也可通过v r e f 引脚使用外部基准) 以及片内电源监视、降压 检测和看门狗等功能。其两通道串行通讯接口，可用于异步或同步模式。 由于c y g n a lf 0 0 5 的高集成度( 内部集成了众多的外围模块) ，因而一般 无需外扩r o m 、r a m 、a d 、d a 、w a t c h d o g 、可编程i o 口和e 2 p r o m ( 用 片内f l a s h 实现) ，从而大大简化了硬件电路。并为构成以c y g n a lf 0 0 5 为核 心的单片机系统创造了条件，同时也提高了系统的可靠性。 此外，c y g n a l f 0 0 0 5 的端口可用数字交叉开关配置定义。其供电电压为2 7 3 3 v ，大大降低了系统损耗。c y g n a lf 0 0 5 管脚的功能如表3 1 所示。 表3 1 c y g n a lf 0 0 5 管脚的功能 a 玳l 模拟输入模拟m u x 通道输入1 a n 、j 2 模拟输入模拟m u x 通道输入2 a n 、j 3 模拟输入模拟m u x 通道输入3 a n 、4 4 模拟输入模拟m u x 通道输入4 a i n 5 模拟输入模拟m u x 通道输入5 a r n 6 模拟输入模拟m u x 通道输入6 a i n 7 模拟输入模拟m u x 通道输入7 d a c 0 模拟输出数模转换器输出口0 ，d a c 0 电压输出。 d a c l 模拟输出数模转换器输出口l ，d a c l 电压输出。 c p 0 + 模拟输入比较器0 的同相输入端 c p 0 一模拟输入 比较器0 的反相输入端 c p l + 模拟输入比较器l 的同相输入端 c p l 一 模拟输入比较器l 的反相输入端 v r e f模拟 电压基准。当被配置为输入时，该脚作为m c u 的电压基准。 否则，内部电压基准驱动该引脚。 r s t 数字i 0芯片复位。内部电压监视器的漏极开路输出，当v d d 2 7 v 时为低电平。一个外部源可以通过将该引脚置为低电平使系 统复位。 x 1 a l l模拟输入 晶体输入。该引脚为晶体或陶瓷谐振器的内部振荡器电路反 馈输入。为了得到一个精确的内部时钟，可以在x t a l i 和 x t a l 2 之间接上一个晶体或陶瓷谐振器。如果被一个外部 c m o s 时钟驱动，则该引脚成为系统时钟。 x 1 a l 2模拟输出 晶体输出。该引脚是晶体或陶瓷谐振器的激励驱动器。 t c k数字输入 带内部上拉的j t a g 测试时钟。 t m s 数字输入 带内部上拉的j t a g 测试模式选择。 t d i 数字输入带内部上拉的j t a g 测试数据输入。t d i 在t c k 上升沿被锁存。 t d o 数字输出 带内部上挂的j t a g 测试数据输出。数据在t c k 的下降沿从 t d o 引脚输出。t d o 输出是一个三态驱动器。 1 2 箍三重硬鲑组盛厘王往厦堡 v d d 数字电压源 d g n d 数字地 烈七 相对模拟电压源 a g n d模拟地 p 0 0 数字i o端口0 位0 p 0 1 数字i o端口0 位l p 0 2数字i o 端口0 位2 p 0 3 数字i o端口0 位3 p 0 4 数字i o端口0 位4 p 0 5数字i o 端口0 位5 p 0 6数字i o 端口0 位6 p 0 7 数字i o端口0 位7 p 1 o 数字i o端口1 位0 p 1 1 数字i o端口l 位1 p 1 2 数字i o端口1 位2 p 1 3 数字i o 端口l 位3 p 1 4 数字i o端口1 位4 p 1 5 数字i o端口1 位5 p 1 6 数字i o端口l 位6 p 1 7 数字i o端口1 位7 p 2 o 数字i o端口2 位0 p 2 1 数字i o端口2 位1 p 2 2数字i o端口2 位2 p 2 3 数字i o端口2 位3 p 2 4 数字i o端口2 位4 p 2 5 数字i o端口2 位5 p 2 6数字i o端口2 位6 p 2 7 数字i o端口2 位7 p 3 o 数字i o端口3 位0 p 3 1数字 端口3 位1 p 3 2数字i o端口3 位2 p 3 3数字i o端口3 位3 p 3 4 数字i o端口3 位4 p 3 5 数字i o端口3 位5 p 3 6数字i o 端口3 位6 p 3 7 数字i 0端口3 位7 u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 是个带并行总线盼u s b 接口器件，支持本地 的d m a 传输。它完全符合u s b i 1 版的规范，同时集成了s i e ( 串行接口引擎) 、 f i f o 存储器、收发器以及电压调整器。其功能框图如图3 3 所示。 图3 3p d i u s b d l 2 功能框图 p d i u s b d l 2 与c y g n a lf 0 0 5 单片机的接口电路如图3 4 所示( 图中未画出上 拉电阻) 。w d 采集到的数据经p d i u s b d l 2 的并行接口送入f i f o 存储器。当u s b 的传输速率达到1 2 m b p s 时，m m u ( 存储器管理单元) 和集成r a m 作为u s b 之 间速度差异的缓冲区，这就允许单片机以它自己的速率对u s b 信息包进行读写。 若f i f o 中数据已满，s i e 会立即对数据做处理：同步模式的识别、并行串行转换、 位填充解除填充、c r c 校验产生、p i d 校验产生、地址识别和握手评估产生。 s i e 实现了全部的u s b 协议层，完全由硬件实现而不需要固件的参与。数据经处 理后由收发器通过数据线d + 、d 一传送到主机。 t + 5 v p 2 0 p 3 0 d o v o c i ： v o u t 3 3 3 3 v p 2 7 p 3 7 d 7 d + p o 0 p 1 - 0 l e d p 1 1 c s 矗 t - r k l 1 p o 7 p 1 2 s u s 嘲d c = - - - , i 6 栅 p 1 6 p 1 3 i 耵j x t l 2 p 1 7 p 1 4 v 耻h p 1 5 r d 日 l 卜 a 0 l i e s 盯- 翟 图3 4p d i u s b d l 2 与c y g n a lf 0 0 5 的接口电路 1 4 配置给液晶墨磊微型打印接口及键盘 蓥三童塑住组盛厘王佳厘堡 c y g n a lf 0 0 5 单片机系统通过u s b 控制器( p d i u s b d 12 ) 与主机进行通信 工作。u s b 协议1 1 规定的u s b 传输方式分为：控制传输、块传输、中断传输 和等时传输4 种。在实际开发中使用控制传输和块传输2 种传输方式，控制传输 用来实现位于主机上的u s b 总线驱动程序( u s b d s y s ) 以及编写的功能驱动程 序对设备的各种控制操作，而块传输用来完成将采集数据从设备传送到主机。当 u s b 控制器从u s b 总线检测到主机启动的某一传输请求时，u s b 控制器通过中 断方式将此请求通知c y g n a lf 0 0 5 单片机系统。c y g n a lf 0 0 5 单片机系统通过访 问u s b 控制器的状态寄存器和数据寄存器获得与此次传输有关的各种参数，并 根据具体传输参数，对u s b 控制器的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作， 以完成主机的传输请求。 用户软件设计由两部分组成：动态链接库和应用程序。动态链接库负责与内 核态的u s b 功能驱动程序通信并接受应用程序的各种操作请求；应用程序负责 对所采集的数据进行实时显示、分析和存盘等。 3 2 1 数控恒流源 本课题设计出更适用于电解剥离的高精度、高稳定度的数控恒流源，电路原 理如图3 5 所示。 图3 5 数控恒流源原理图 l 妇c y g n a lf 0 0 5 单片机d a ( 1 2 位) 产生指定电压k ，经过运放彳。跟随，t 1 、 t 2 功放后，在取样电阻尺，上转化为电流( i = k r ；) ，流过电解池。不同于参 考文献【1 1 1 报道的恒流源，本电路的研究电极( 被测样片) 始终处于真正地电位， 使电极电位测量方便、准确。电流精度与取样电阻r l 精度无关，只要确定出最大 电解电流乙，将。a 的参考电压调至= ，咏r ，( 1 一古) 即可。由于 i一=悬彭百i-v旯11 ( 3 1 ) ( 一g t ) r ， n 7 故，任一电解电流值为 i 粤：烈n - i4 2 ，：簪n - i 掣 ( 3 2 ) r i2 ”月，智。2 ”智2 、 即电解电流大小由d a 给的数字量d i 决定。 当砟= 0 时，t 2 的穿透电流，。2 不为0 ，会给测量带来误差。在独立电源e 的回路中设计一个受微处理器控制的电子开关，很好地解决了这一问题【1 2 】。凡是 系统复位、初始化时均使形= 0 ，同时切断电子开关。启动测量时，同步接通电 子开关；测量结束时，再次切断开关。 为获得真实的参考电极电位q 真，采用了正反馈直接补偿原理，补偿溶液内 阻r u ( 电解池内研究电极与参考电极之问电阻) 上的压降。电路由a 2 、a 3 、a 4 构成。a 、b 两点电位均正比i r u ，但反相，调节r w 可实现最佳电位补偿。 数控恒流源恒流部分实际电路如图3 6 所示，由单片机的p 1 3 控制光电继电 器( 电子开关) i c l 4 是否接通由l c l 6 来的9 v 直流电源，若p 1 3 为高电平s s r 接通，若p 1 3 为低电平s s r 断开。 由单片机的d a 来的直流电压( v i ) 加在运算放大器的同相端，根据运放原 理反相端的电压也等于同相端电压，也为杉，那么在功率电阻r 7 4 上，形成恒 定电流i = k r ，为样片电解剥离供电。 图3 6 恒流部分实际电路 1 6 3 - 2 2 高精密电压基准 本课题采用t l 4 3 1 作为一个高性价比的常用分流式电压基准，有很广泛的 用途，图3 7 是t l 4 3 l 的典型接法。 图3 7 典型接法的高精密电压基准 图3 7 所示电路输出一个固定电压值，计算公式如下： v r e f ：( r 9 + r w 2 ) 2 5 ( 3 。3 ) r w 2 同时，要求图3 7 中r 8 的值应该满足下式： l m a v c c - v r e f 5 0 0 m a ( 3 。4 1 r w , 此设计中取v c c = 5 v ，v 他f = 2 5 v 。 当r 9 取值为0 的时候，r w 2 可以省略，这时候图3 7 所示电路变成图3 8 的 形式，t l 4 3 1 在这里相当于一个2 5 v 稳压管，考虑到a d 和d a 参考电压的可 调性，并且为防止高、低频干扰，使用时最好不要省去高、低频滤波电容。 图3 8 直接输出2 5 v 的高精密电压基准 3 2 3 分层峰判断与数据采集 对微分电位法测量来说，v 曲线的价值仅在于根据其过渡区形状判断合金 层的质量优劣，而掣芒曲线对此法的重要性则在于能向系统提供分层的准确时 口f 刻。对两种曲线数据分时采集，由c y g n a lf 0 0 5 单片机的1 2 位a d 完成。分层 峰判断与数据采集电路原理如图3 9 所示。 一卜 x 0 一卜c 2 x l r 博豁慝c 抗运a 3 1 4 罄0h 菇卜 c 3 焦1 l 跟随( ) n 电路l 一卜 x 2 x r 杰 高输入阻抗运放至单片机 d c 4 工 电路跟随( c a 3 1 4 0 ) - 一lx 3 iy j 【一 a b 图3 9 分层峰判断与数据采集电路 电位变化速率_ g v 与电流i 成正比。i 小时变化缓慢，微分后分层峰值不明显， d f 峰值判断困难；i 大时过渡区陡峭，微分后峰值超了a d 输入电压量程( 2 4 v ) ，造 成分层判断失败。微分放大器电压增益a 矿= _ 肜半，显然，用一个微分电容很 d f 难满足整个电解电流范围内产生理想分层峰的要求【1 3 】。为此，设计出了最佳微分 电容编程选择电路，如图3 9 所示。每个微分电容对应一定电流范围，而且相互 覆盖。根据设定电流值，系统自动选择电路最佳电容。该电路较理想地解决了宽 电流范围内分层峰判断和a d 输入超量程问题，提高了分层可靠性。 3 2 - 4 日历时钟计时 为实现精确计时控制，采用飞利浦公司的p c 8 5 8 3 作为系统的计时基准。设 置8 5 8 3 为日历时钟工作方式，在备用电池供电下，芯片处于年一月一日一时一 分一秒计时状态。具有极高的计时精度。启动电解时，c y g n a lf 0 0 5 单片机通过 s c l 向8 5 8 3 发出信息，通过s d a 得到的来自8 5 8 3 的时间耳，同样待判断出分 层峰t l 、t 2 时刻，记下此时的巧、墨，则( 巧一互) 、( 巧一巧) 便是n i 层、n i f e 合金层的电解剥离时间。 与普通的电子日历时钟芯片( 如m c l 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 o1 ：3 的两条引脚模拟1 2 c 总线的数据线s d a 、时钟线 筮三童焦佳组成厘王佳厘理 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。p c f 8 5 8 3 有接口简单，占用c p u 端口资源少等优点。 本课题设计的日历时钟电路如图3 10 所示，c p u 的p i 0 与p c f 8 5 8 3 的s d a 相连， c p u 的p 1 1 与p c f 8 5 8 3 的s c l 相连，由于c p u 高电平为2 7 3 3 v ，而p c f 8 5 8 3 为t t l 电平，所以加上拉电阻r 4 7 、r 4 8 以实现电平转换，晶体c r y i 用以产生 p c f 8 5 8 3 所需要的时钟1 1 4 j 。 在电路中为保证断电后日历等信息不丢失，增加了高效电池供电与充电电 路。当外电源( + 5 v ) 有电时，通过二极管d 3 给p c f 8 5 8 3 供电，同时阻止电池 给p c f 8 5 8 3 供电；当外电源( + 5 v ) 断开时，电池e 1 通过二极管d 2 给p c f 8 5 8 3 供电，以保证日历等信息不丢失。 图3 1 0 日历时钟电路 1 9 箍三童煎鲑组盛厘王佳愿理 3 2 5 信号放大与变换电路 由图3 5 所示电路得到的参考电极电位q 真较小，必须经过放大后才能送入 a d 处理电路，为了减少的q 真损失，在图3 1l 所示电路中，第一级采用跟随电路， 为增大输入阻抗选用高输入阻抗( 芝1 0 1 2 ) 的运算放大器c a 3 1 4 0 ，并且用t 型滤 波电路( r i