（物理电子学专业论文）ptcr阻温特性测试系统研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着p t c r 的应用领域的日益广阔，其产业逐步扩大且发展前景非常乐观。与其 配套的测试仪器因此而有广泛市场，由于p t c r 的阻温特性是衡量其性能的最佳尺度， 精确获得p t c r 的阻温特性是成功研究和开发p t c r 材料、工艺及用途的必备测试手 段，故对p t c r 的阻温特性测试显得尤为重要。在经过了充分市场调研后，确定了本 课题的题为“p t c r 阻温特性测试系统研制”研究方向并完成了论文撰写与样机试制工 作，这些工作主要从以下几个方面着手，进行了具体研究设计。 第一章概括了国内外p t c r 产业的发展现状及广阔前景，叙述了国内外p t c r 测试技术的发展现状，反映了国内行业对p t c r 专用高性能测试仪器、设各的迫切需 求，体现出本课题研究的现实意义。 第二章阐述了p t c r 的主要电参数的本质，根据用户需要，拟订了系统要达到 的各项技术要求，提出了系统的拓扑结构，并对系统软件的结构功能进行了规划。 第三章提出了p t c r 电阻值测量模块实际组成，详细研究并设计了模块中主要 部分的软硬件，如用高性能压频变换器构成精密a d 转换器的设计、高精度程控恒流 源的设计、p t c r 阻值测试量程自适应切换的策略及算法等。 第四章研究并提出了系统通信模式和构架，参与了系统通信协议地制订。详细 研究并设计了系统通信模块的软硬件； 第五章提出了升温炉温度测控模块组成，详细研究并设计了模块的各单元软硬 件，如温度信号调理电路、温度信号非线性补偿算法及实现，温度的直接数字控制算 法等。 第六章对本课题样机的实测结果给予测试分析，并得出样机实测结果满足预定 技术要求的结论。 关键词tp t c r阻温特性自动测试主从通信控制算法 华中科技大学硕士学位论文 斛2 = = = = = = = = = ；= = = = # 。2 2 2 2 2 2 。2 5 。= 2 2 。2 。2 。2 2 。3 2 a b s t r a c t t h er e s i s t a n c e - t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ct e s ts y s t e mo fp t cb a s e d0 1 1s e m i c o n d u c t o r c h i n aa n dm a c r o m o l e c u l em a t e r i a lw a ss t u d i e da n dd e s i g n e ds y s t e m a t i c a l l yf r o mt h ef o u r f o l l o w i n ga s p e c t s ： it h ew i d ea p p l y i n gp r o s p e c to ft h ep t cb a s e do ns e m i c o n d u c t o rc h i n aa n dm a c r o m o l e c u l em a t e r i a la tp r e s e n ta n dt h es t u d y i n gd e v e l o p i n gp r o d u c i n gs i t u a t i o no ft h ep t c e l e m e n tf a c t o r yh o m ea n da b r o a dw a sn a r r a t e d t h eo b j e c t i v ed e m a n do ft h er e l a t i v e m a t c h e d s p e c i a l t e s ti n s t r u m e n ta n d a p p a r a t u s i nt h e d e v e l o p i n g c o u r s eo f t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v ee l e m e n ti n d u s t r yi nc h i n aw a sr e p o r t e d s o ，t os t u d ya n dd e s i g nt h i s i t e mh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e 1 it h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e rw a si n t r o d u c e d ，t h em a i nt e c h n i c a lt a r g e to ft h et e s t s y s t e mw a sf i x e da n dt h eh a r d w a r ea n ds o i 风v a r ec o m p o s i n gs t r u c t u r eo f t h et e s ts y s t e mw a s p r o v i d e d s t u d y i n ga n da n a l y z i n go ne v e r ym a i nc o m p o s i n gm o d u l eo ft h es y s t e m ，t h e p r e l i m i n a r ys o l v i n gf l a nw a sp r o v i d e d 。 i i ie v e r y c o m p o s i n gm o d u l eo f t h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t a i lw a ss t u d i e d a n da n a l y z e d b e s i d e s ，t h ec o n c r e t ec i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a mo fe v e r ym a i nm o d u l ew a s p r o v i d e d i vn o to n l ye v e r yc o m p o s i n gm o d u l eo f t h e s y s t e ms o f t w a r ei nd e t a i lw a ss t u d i e da n d d e s i g n e d ，b u ta l s ot h ec o n c r e t ed e s i g n i n gm e t h o da n dp r o g r a ms t r u c t u r a ld i a g r a mo fe v e r y m a i nm o d u l e ，e s p e c i a l l yo nt h ep t c rr e s i s t a n c et e s t ，s y s t e m s ss u b o r d i n a t ec o m m u n i c a t i o n a n dd i r e c td i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h mw a sp r o v i d e d k 堪w o r d s ：p t c rr e s i s t a n c e - t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c a u t o m a t i ct e s t s u b o r d i n a t ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o la l g o r i t h m 独创性声臻 本人声瑗掰基交静学位论文是我令久在零耀捂导下进行瀚研究工作及取得懿 研究成果。尽我所知，除文中已经标明日l 甩的内容外，本论文不包含任何其饿个人 戴集体融经发表域撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 程文中以明确方式标明。本人究全意谈到本声唆熬法律缝果密本久承摆。 学位澈作者躲卢友斌 日期：砷6 ，年t 月f 乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 辍劳淘鏊家有关部门或瓿鞫送交谂文的笺印俘和嘏子舨，允许论文被套阏和借阕。本 人授权华中科技大学可以将本学饿论文的全部或部分内容编入有关数据瘁进行检索， w 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，奁零解密鼹逶鼹零授权书。 本论文属于 。， 不保密耐。 ( 请在班主方框蠹耔“0 ”) 学位论文作者签名： 蜀麓；? 嘛1 1 胄， 指导教师揸名： 醚鹚：磊嘛 磨聆髑 | 跫 | 强 华中辨技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1p t c r 概论 p t c r 是p o s i t i v e st e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tr e s i s t a n c e 的缩写，实指正温度系数热敏 电阻器畔j 。与之对应，还有n t c r ( n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tr e s i s t a n c e ) ，实指 负温度系数热敏电阻器。p t c 热敏电阻器是一种以钛酸钡或高分子聚合材料为主要成 分的高技术半导体功能电子元件，当温度达到某定值时，其电阻会显著增加，特别是 在居里温度点1 6 4 ( t c ) 附近电阻值将跃升3 7 个数量级。利用其基本的电阻温度特性、 电压电流特性与电流时间特性，p t c 系列热敏电阻元件已广泛应用于工业电子设备、 汽车及家用电器、航空航天和各种军事装备中，以达到自动消磁、过流保护、马达启 动、恒温加热、温度补偿、温度传感及延时等作用【4 4 1 3 9 。 自1 9 5 0 年荷兰菲力浦公司的海曼等人发现b a t i 0 3 系陶瓷半导化后可获得正温度 系数( p t c ) 特性以来，人们对它的了解越来越深刻。在其应用领域己渗透到日常生 活、工农业技术、通讯、宇航等各个领域，且正处于加速上升时期，近年来，基于高 分子聚合材料的p t c 元件以其优异的p t c 特性，也加入到了p t c 行列。形成这种状 况的原因在于p t c 热敏电阻具有其独特的电热这一物理性能。目前的国外，p t c 元件 在各个领域的应用已非常广泛，p t c 热敏电阻的主要生产商有美国的r a y c h e m ( 瑞侃) 公司【3 4 1 ，日本的日立、胜利公司和村田制作所，还有荷兰p h i l i p s ( 菲力浦) 、德国s i m e n s e ( 西门子) 公司等。国内研究单位及企业真正涉及p t c 元件的规模化、产业化研制生 产源于上世纪9 0 年代初，那时是为了与我国的彩电、彩显生产企业做p t c 元件配套， 专门用于彩色电视机及计算机彩色显像管的开机消磁，后来，随着p t c 元件新材料、 新工艺的不断出现，p t c 元件的应用领域急剧扩展，出现了各种功能p t c 元件，如应 用于各种加热装置的p t c 发热体，应用于各种电子线路、电路板上保护的p t c 自恢复 保险丝、还有程控交换机配线架保安单元的过流保护p t c 元件1 4 8 1 1 5 1 1 5 引、空调和冰箱压 缩机启动p t c 元件等等，现在，国内有不少生产厂家在研制并大批量生产各种系列的 不同功能的p t c 元件，如成都宏光( 7 1 5 厂) 、中美合资深圳西部伟林元件公司、浙江 桑尼电子、南京时恒电子科技及武汉华中高理公司等等。 华中科技大学硕士学位论文 目前，国内国外的p t c 行业正处于对p t c 陶瓷材料和高分子材料性能的进步优 化阶段，对p t c 陶瓷元件及高分子p t c 元件应用的将谶一步拓展，p t c 温度敏感元件 豹应用飘是当今最为热门、裁豢又十分宽广的赫型应用技术，p t c 元传撂为敏感搴孝辩 元件之一，其产业是一种非常有前途的商新科投产业。 1 2p t c r 测试技术国内外发震 目前，国内外众多的p t c r 生产厂商为了更多地占有p t c r 市场份额，同时进一 步拓宽其应用新领域，纷纷采取各种措施和方法，在加大产量的同时，稳定和提高产 品质量，其中主要手段之一就是采用更加先进可靠的p t c r 专用检测手段，对产品的 各项动、静态性能参数进行快速、准确地测试及评估，它将贯穿从产品研制发、试制、 小批量直至大批量生产的整个工艺环节，没有一套先进可靠的检测手段，将不会有一 整套完备的质量保证体系，产品质量也就不能从根本上得到保证。 国外的p t c r 产品与国内同类型产品相比，由于其材料纯度高，生产设备及其生 产工艺先进，检测手段完备，具有完善的产品质量全程监控系统体系，其产品批量大， 质量稳定。国内p t c r 产品及生产在以上几个方面均有不足，尤其是仍旧缺乏低成本 的先进完备的检测手段，对产品的质量缺乏定量的数据分析，导致对于不同批次的原 材料，其相应的生产工艺调整节奏缓慢，产品质量相对较差。 目前，国外在p t c r 测试技术方面处于领先地位，传统的p t c r 测试方式已被摈弃， 取而代之的是先进的计算机测试技术，它是基于先进的计算机软硬件技术的自动测试 系统“”1 ，仪器的操作界面完全由计算机屏幕显示代替，使用者只需在屏幕上点击鼠 标即可完成整个仪器的操作。整个系统所具有的模块化结构使得在测试过程中，可根 据实际测试需要，仅需添加配套的各种测试软硬件模块，就可方便的实现对各种被测 量的测试，另外，还可以利用计算机强大的数字信号处理能力，尤其是在对复杂信号 的高精确度和高稳定性综合测试、复杂的测试参数处理、测试结果显示、保存和输出 等方面具有传统的p t c r 测试方式所不可比拟的优越性。而国内的p t c 行业在p t c r 测 试技术方面表现显得参差不齐，没有太强实力的企业，其p t c r 测试手段落后，而有些 实力的企业，也是传统和先进测试手段的混合型，这样的状况直接影响了产品的批量 华中科技大学硕士学位论文 与质量，这种落瑶状况薅待改进。 p t c r 的阻潞特性怒衡量p t c r 性能的最佳尺度，糟确获得p t c r 的黻温特性是成功 硬究秘舞发p t c r 材料、工艺及用途的必备渠道，对p t c r 的阻溅特性颡i 试显褥龙为重 疆。这也就是本课题选题为：“p t c r 阻濑特性测试系统研制”的由来。 l - 3 课题的技术关键 完成p t c r 阻温特性测试系统研制需要解决以下技术关键： ( 1 ) p t c r 电阻值的宽范围高精度量程自适应测量 由于p t c r 电阻值在经过居里点时会骤增7 个数量级，且陡变速率大，这就要求测 试系统需有一个与之相适应的很宽的电阻量程范围，同时，还要能够捕捉测量快速变 化的阻值； ( 2 ) p t c r 在高温高阻状态下的电阻值精确测量方法 p t c r 随着本体温度的升高，达到居里温度点时，其阻值将骤增，当温度达到居里 温区上限时，p t c r 阻值将达到极值，一般为1 0 7 。8 数量级，这就要求系统能精确测试高 温电阻值，这也是以往一些p t c r 测试技术的缺陷； ( 3 ) 可靠的较长距离系统通信解决方案： 根据用户要求，系统能够在工厂较强干扰环境范围内进行较远距离测控，因此， 系统研究要解决通信模式及其协议的确定及实现： ( 4 ) 温度控制方法及算法 p t c r 阻温特性测试就是指人为的模拟温度变化的环境，以温度为自变量，对其阻 值进行测试，从而获得阻温对应关系，所以，为了得到准确的阻温关系，系统要求能 够对温度进行高精度测控。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统技术要求及拓扑结构 2 1p t c r 的测试参数分析 p t c r 的电一热本质可由以下三个特性概括，即电黼- 温度( r - t ) 特性、电藤一电流 ( v - i ) 将蛙霸壤淡酵阙( i - t ) 特性。 2 1 。l电阻温度( m t ) 特憾 指在规定溆压下，p t c 热敏电阻糕的零功率电阻德与电阻体温度之闻的关系。可 用图2 1 赝示的r - t 关系曲线来褒征： l i 耳( 0 ) r r 2 5 r 图2 1p t c 元件的阻一温特性曲线 图2 1 中所涵盖的p t c r 特征参数的本质意义如下： ( 1 ) 定零功率电阻值( r 2 5 ) ：指的是在2 5 c 条件下的零功率电阻值。 它是p t c r 阻值随温度变化的标称起点，对p t c r 的整个性能有很大影响。实际 上，可以根据该值的大小来判断p t c r 的具体用途，如阻值小于lo ，一般是用于大电 流过流保护；如阻值在5 3 0 q 之间，则一般用于消磁、压缩机启动及电路板级过流保 护；如阻值大于3 0q ，则一般用于发热体及温度传感器等。 ( 2 ) 最小电阻值( r 。i 。) ：指从常温2 5 c 开始，温度曲线函数所对应的最小电阻值。 这个特征参数对p t c r 的性能影响也很大，通过它能够决定p t c r 的r - t 特性函 华中科技大学颈士学位论文 数曲线形状，如r m l n 小于r 2 5 ，说明该p t c r 在低温区所呈现的是负温殿系数( n t c ) 特性，如果r m i n 大于或等于r 2 s ，则p t c r 在整个居里漱医将呈现正温度系数( p t c ) 犍性，传为压缨规启动用的p t c r 应当巍低湿区具有n t c 特性，因为压缎桃在启动时， 其启动绕组线圈需要一个较大的且能维持一定时间的启幼电流以获得个大的转动力 矩，之爨，p t c r 会呈瑗p t c 特瞧，其爨篷垮呈数量级剿堙，导数电滚急速衰减，p t c r 工作进入稳态阶段。但如用于温度传感器，则要求p t c r 的阻值在整个居里温区呈线 性p t c 特蠖，不裁在箕r - t 关系益线串逐包含n t c 特栏段。 ( 3 1 室温电阻( r o ) ：指室温下的电阻值； 通常情况下，其重要性与r 2 5 等同，另外，可以通过对p t c r 自身的凡与r 2 5 的 大小比较，来直观判断其r - t 关系曲线是否含有n t c 段。 ( 4 ) 居里温度瞰】( t b ) ：指最小阻值两倍时电阻所对应的温度； 这个特征参数非常重要，因为居里温度点是p t c r 阻值将要产生突变的温度值起 点，它反映和决定了p t c r 的动作特性，对p t c r 开关元件而言，居里温度将在其动 作时间和动作电流两个致关重要的参数上起决定作用，p t c r 生产也是通过调整其居里 温度点来得到不同规格的p t c r 开关元件。 ( 5 ) 居里阻值( r b ) ：指开关温度t b 时对应的阻值； 这个特征参数是p t c r 阻值将要产生突变的电阻值起点，它决定了p t c r 的动作 电流值。 ( 6 ) 最大电阻( r m a x ) ：指从常溆2 56 c _ 歼始，阻温曲线黼数所对应的最大电阻值； 这个特征参数蔽浃了p t c r 的阻值从鼹里阻馕开始产生突变，乏螽所憝达到的极 限德对于消磁、聪缩机肩幼及过流保护用p t c r 而言，这个参数值越大越好，因为 这栽够蠖p t c r 嚣美元终豹舞关特性更驽，溺嚣稳悫磅耗燹低。 ( 7 ) t r m i n ：指黢小电阻值r m i n 所对应的温度； ( 8 ) t m a x ：蠢最文电隧毽r m a x 掰对应鹣溢度； ( 9 ) 居里温区( t ) ：t r m a x - t l m i n ； 这个特征参数说明了p t c r 获褥一个隆值动态交亿范丽所登须承受静与之对应鹣 其本体的温度变化范围，对予较小电流保护的p t c r 开关元件，居里温区值可以较小， 华中科技大学硕士学位论文 但对于大电流保护而言，居里温区值就要较大，另外，对于热敏电阻温度传感器，要 想获得一个大的感温范围。提高量程，就要求居里温区值要大。 ( 1 0 ) r t b + 2 5 ：t b + 2 5 * c 时的阻值； ( 11 ) r v + 1 0 ：t b + 1 0 ( 2 时的阻值； ( 1 2 ) 电阻温度系数( q ) ： 这个特征参数对于热敏电阻元件来讲，是标志性的参数，一个热敏电阻元件是具 有p t c 还是n t c 特性，就完全取决于它。 ol o 2 5 = l n ( r t b + 2 5 r t h o ) 1 5 1 0 0 oi s , 2 5 = l n ( r t b + 2 5 r t i - 1 5 ) 1 0 1 0 0 c t , o 5 0 = l n ( r t b + 5 0 r r l o ) 1 5 0 l o o ( 1 3 ) 升阻比( b ) ：且= l o g ( r 。压k i 。) ： 这个特征参数反映了在一定的温度变化范围内，p t c r 阻值变化的速率，对于p t c r 开关元件而言，升阻比大，动作时间就快，就越能起到过流保护的作用。 r - t 曲线描述了p t c r 的主要特征。 2 1 2 伏安( v i ) 特性 臻在2 5 | l 冬静业空气中，热在p t c 热敏电阻爨孳| 瓣之闯鹣电垂譬达到热乎餐静稳 态条件下的电流之间的关系l 嘲，如图2 2 所承。 羹g i 灏2 2 p t c 元转的v _ i 特性艟绫 幽图2 2 可知，对于p t c r 。当电压逐渐增加时，电流里赢线上升，达到墩大值后， 燹l 藏_ 乏塞线下降e 耄滚最大赢禳为w l 蜂篷，在v - i 蜂僮毫舔骧下维持定亳麓送域，焱 6 华中科技大学颈士学位论文 峰值以上电压时，即使淑变外加电压也缀持电功率几乎不变的定功率区域，p t c 发热 体类元件就是利用定功率特性。 2 1 。3 毫滚时阉( i t ) 特蠖 指p t c r 当施加v ，i 峰值以上电压时，由于其电阻低而流过大电流，但随精时间 延长由予自身发热丽溢液迅速上升，显示密电黼骤增蔼使电流惫禳衰减静特性，应蠲 于冰箱及空调的压缩机和彩显消磁及过流保护自恢复保险丝的p t c 开关类元件就是利 用这一特性1 酣 1 5 5 1 。其曲线觅图2 3 。 i h 点 图2 3p t c 元件的电流一时间特性 由图2 3 可知，通过p t c 元件的r - t 特性曲线，可以分析和计算出有关p t c 元件 的主要特征参数，帮助p t c 元件研发生产和使用部门从整体上把握其品质，从而能根 据具体情况及时作出工艺调整，提高企业综合效益，因此，对p t c 元件的阻温特性的 精确测试就显得由为重要。 2 2 r - t 特性测试系统的设计要求 本计算机辅助测试系统是为了实现p t c r 热敏电阻r - t 特性的自动化测试而设计 的，系统主控机可采用工控机或品牌及兼容p c 机，操作系统可以是w i n 9 8 、w i nm e 、 w i n 2 0 0 0 及w i n x p 版本，配以i o 控制接口电路板和外围测控电路，以电阻升温炉作为 阻一温测量环境，完成对p t c r 的r t 特性的自动化测试。本测试系统适用于p t c r 实验 室、p t c r 生产及使用企事业单位等从事p t c r 的科研、开发及生产测试过程。 p t c r 的r t 特性测试系统的主要测试参数如下： ( 1 ) 温度测量及控制范围：室温3 0 0 ： 华中科技大学硕士学位论文 常用温度测量及控制魏圈：室温2 5 0 ； 温度测量精度：0 5 ； 瀑度控制糖度：1 5 ( 2 ) p t c r 电阻值采用恒溆测量方式，阻德测量澈围；1 1x1 0 8o ； p t c r 电逡篷测量精度；o 。2 ； ( 3 ) 同时测量p t c r 样品数；1 0 只； ( 4 ) 主要诗算参数惫括热下蔻矮； 室温电阻( r o ) ，标称电阻( r 2 s ) ，膀里温度( n ) ，羼里电阻( ) ，最小电阻r m j n ， 最小电阻所对藏的温度( t r m l m ) ，最大魄阻( r 。) ，袋夫电阻掰对应瓣潺度( t r l n “) ， 屡里温隰( at ) ，电阻濑度系数；81 0 2 5 、“1 5 2 5 、o1 0 2 5 ，升阻比b ，p 、m i n r 2 5 * ( 5 ) 测试系统要能够在测试过程中，在计算机屏幕上任意艇示每个工位对应的 2 i 上测试参数结果及r - t 魑线圈l ( 6 ) 测试系统要能够保存2 0 0 个批次的所有测试缩果，并可随时调出在计算机屏 幕上显示或努鼙爨上努露簸窭。 2 3r - t 特性测试系统拓扑结构 2 3 1 系统拓扑结构及功能 从以上2 2 节提出的r - t 特性测试的总设计要求来看，如继续采用p t c r 的常规 测试方法将难以实现，因此，可以借助于计算机强大的数据处理及过程控制能力，通 过构建一个p t c r 的r - t 特性自动测试系统( 以下简称系统) 来达到目标1 4 0 l ，系统结 构见图2 4 。 升温炉回 圆圈 测控箱单回 片机系统 高温超温 保护 主控 计算机 系统软件 ( 主机软件) ( 从机较件) 图2 4i 卜t 特性测试系统拓扑结构 键盘，鼠标 打印机 华中科技大学硕士学位论文 在圈2 , 4 中可以看出，p t c r 的r - t 特性测试系统由系统软件及硬传构成，硬件包 括：一台主控计算机( p c 机) 、一个测控箱( 单片机系统) 、一个专用可控升温炉，一 套专用旗冀测试夹具及褶应连接奄缆醚传等组成，劳虫差机逶避系统软 睾来绫一控制 和管理。 主辘霹由王控瓿戴p c 掇撼经，嚣羧辖豹主控萃竞为萃痔飘漠l 控系统，圭控橇与溺 控箱的通信可以通过p c 机的串行通信接口，以难从控制工作方式来实现。其显藩优点 是：系统连接方便，搽作简单，用户不需要打开主控税枫箱，也无须冀它额外豹辅助 条l 牛。 ( 1 ) 主控帆负责系统整个测控管瑕，主要是： 1 ) 产生入凝爨嚣，进行入枫交互； 2 ) 向测控耩发布备种测控命令字，指示测控箱按控制命令进行工作； 3 ) 按浚蒺l 接籀发采静各耱测试数攒，著瓣溅试数据送行分辑楚毽、保存、艇示释 打印输出等。 ( 2 ) 测控箱的功能是： 1 ) 对1 0 个p t c r 芯片样品的电阻值进行测试； 2 ) 对p t c r 电阻测试通道及测试量程进行自动切换； 3 ) 对系统升温炉的温度进行测控； 4 ) 输出固体继电器( s s r ) 导通触发控制信号以控制炉温； 5 ) 将升温炉的温度测量值及p t c r 电阻测量值传送到主机。 ( 3 ) 系统的升温炉作为l o 个p t c r 芯片样品的测试环境，在测控箱的控制下按 预先设定的升温步幅和速度进行恒温、升温，p t c r 芯片的电阻值测试将在恒温阶段进 行。 ( 4 ) 超温保护装置在炉温超过3 5 0 ( 2 时，自动切断升温炉电源以保护系统安 全。 2 3 2 系统软件结构 系统软件机构见图2 5 所示。 华中科技大学硕士学位论文 ( 数据采样( a 街转换 ( 数字滤波)( 非螅性辛卜倦) ( 档位工能转换) ( 炉温控制) 数据通信) 圭撬焉产赛瑶) ( i i l 馐叠壹梭) ( 数据i 藏信)( 靛据处壤 ( 参数计算与曲线的屏幕显示) ( 涮试结果爰益拽靠薛输出) 畏l 控辖攀跨撬系绕较搏 主撬( p c 撬) 蓉绞鞍捧 图2 5 测试系统软件功能结构框图 由图2 5 可知，系统软件主要包括如下几个功能模块或子程序：系统用户界面、通 信口自检程序、a d 转换程序、数据滤波程序、温度采样值非线性补偿程序、电阻测 试档位自动转换程序、主从机通信程序、温度智能控制程序、主机的数据处理、保存、 测试结果显示和打印输出程序。 本系统软件功能为： ( 1 ) 形成系统用户界面； ( 2 ) 控制测控箱对被测p t c r 元件的电阻值及其测试环境的温度值能进行正确采 样、滤波处理和非线性补偿，统一量纲和标度变换； ( 3 ) 通过量程转换策略算法控制电阻值测试量程转换； ( 4 ) 对测试数据在上传给主机前，先要进行“封装”，即对电阻测试值加上量程 和工位标记，便于主机的数据处理程序正确识别； ( 5 ) 可靠的实现系统的主机与从机之间的通信； ( 6 ) 对系统升温炉的升温曲线采用良好的控制的算法进行精确温度控制； ( 7 ) 主机程序能够对采集到的阻值和温度数据进行处理，包括对数据类型的识别 转换、参数的计算结果的保存、参数和r t 曲线的幕显示及打印输出； ( 8 ) 具备系统通信口硬件故障检测功能。 2 3 1 系统用户界面组成 系统主机屏幕上的用户界面组成如图2 6 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图2 6 系统用户界面 从图2 6 可以看出，主机屏幕上的用户界面由以下四个功能部分构成： ( 1 ) 系统主菜单部分 系统的所有操作都靠它来进行，它包括文件、编辑、测试、设置、数据处理、系 统调试、帮助共七项。 1 ) 文件菜单，包含新建、打开、关闭、保存、另存为、打印和退出共七个子菜单， 仅对系统测试文件进行各种操作，系统测试文件为二进制随机文件； 2 ) 编辑菜单，包含撤消、剪切、复制、粘贴和清除共五个子菜单，仅对系统测试 文件进行各种操作； 3 ) 测试菜单，包含开始测试、暂停测试、终止测试共三个子菜单，用于对系统的 测试过程进行操作； 4 ) 设置菜单，它不包含予菜单，当点击它时，用户测试界面会弹出一个多选项对 话框，要求用户逐一进行选择。选择项包括波特率、最高测试温度、升温步幅、保温 时间、超温报警方式和曲线显示方式共六项； 5 ) 数据处理菜单，是为后面系统的扩充预留菜单项； 6 ) 系统调试菜单。是系统设计者的保留项，专门为系统调试用，用户不应操作： 7 ) 帮助菜单，它不包含子菜单，当点击它时，用户界面会弹出一个帮助对话框， 里面包含详细的该系统使用说明。 ( 2 ) 测试参数显示部分 它包括2 2 节列出的所有待测参数，并随着测试的过程逐步显示的，便于用户观 察。 ( 3 ) p t c r 阻温特性曲线显示部分 华中科技大学硕士学位论文 它在测试避程中显示任意工位的阻一温睦线，在不测试时，可调入以往测试数据进 行显示。 ( 4 ) 功能按键部公 包插三个功能按键，对曲线显示起切换作用，方便用户。 逶避上瑟联礁定戆系统缝麴爱其答缀成都分豹功黥努凝，本文将爨绞夔设诗裁分 为以下三个部分进行： 1 ) p t c r 毫阻筐溯爨模袭设童中； 2 ) 系统通信模块设计： 3 ) 系统舞温炉溢魔测控模块设计 华中科技大学硕士学位论文 3p t c r 电阻值测量模块设计 根据2 3 带提出的p t c r 的r - t 特性测试系统的组成结构及描述，确定系统的p t c r 电阻值测量模块具俸组成如图3 1 所示。 图3 1p t c r 电阻值测量模块具体组成框图 由图3 1 可知，p t c r 电阻值测量模块主要由程控精密恒流源、程控放大单元、电 阻测量工位、量程切换单元、a d 转换单元及系统通信接口组成。 3 1 a d 模式的选择及设计 3 1 1p t c r 的a d 转换模式的特殊性分析 由2 2 节中列出的p t c r 之r - t 特性测试系统主要技术功能指标第2 条可知，要 求该系统的电阻测量范围为l 1 1 0 8 0 ，精度为0 1 ，能实现自动换档，这个要求 已非常高，一般中档数字仪表也难达到，这与美国福禄克( f l u k e ) 公司的f 4 5 全5 位数字万用表的欧姆档测试功能一致。 现在来测算一下，如果系统要求电阻测量精度要精确到小数点后面l 位，则为了 满足1 1 1 0 8o 的电阻测量需要，系统d 转换器的分辨率为3 0 位 ( 2 3 0 = 1 0 7 3 7 4 1 8 2 4 ) ，显然，如此高的a d 转换分辨率是不太切合实际的，为此，可采 用一种分档测试的方法，这样做，即可以保证测试精度，又可大大降低对a d 转换器 的位数的要求，根据这个思想，可将电阻测试分为6 个量程进行，详细情况见表3 1 所示： 华中科技大学硕士学位论文 ；目= = _ _ _ = = = 2 = _ 目= = ；= 自= = # _ i e 表3 1 电阻测试量程划分情况 电阻测电阻档位电阻测试电阻测试测试电流电阻惯号调恒流源电流 试楼 测试范围糖度( )糖度( )理电爨翰出潺整暇傻 l0 一l k 0 0 1 1 n l m a1 v i k 0 2 o l o k q8 。1 l o q o m a v1 8 0 蔓 3 0 - - 1 0 0 k 00 1 1 0 0 qo 0 l m a1 v1 0 0 k 0 4o l 毓q0 。1 i 莪q l u al vl m 0 50 1 0 m 00 1 1 0 k ql u a1 0 v l m 0 60 一i o 黼o o 。1 l o 铺q0 1 u a1 0 vl 酝q 从表3 1 可以看出，根据以上6 个测试量程对电阻测试范围及精度要求，在客观上 仍然要求a d 转换器的分辨率要达到1 4 位( 2 1 4 = ) 1 6 3 8 4 ，按照目前的a d 转换器水 平，1 4 位的a d 转换器是较容易得到的，如果只用在慢速测量领域，还有一型 a d 转换的可供选择，其目前的水平已可做到2 4 位分辨率以上，但是，还有一个非常 值得我们注意的问题，即在选择a d 转换方案时，必须要考虑各种干扰因素对a d 转 换精度的巨大影响。经验表明，一个高分辨率的a d 转换器放在一个特定系统中，并 不一定就能得到高精度的转换输出，如一个分辨率为1 2 位的a d 转换器【删在较严酷 的工控环境中，能够达到l o 位的精度就已属不易了，这需要特别关注，因为分辨率越 高，就越容易受制于各种干扰，一a d 转换器虽然有较强的抗干扰性，但转换速 度较慢，不是本系统的最佳选择。通过以上分析，要考虑这样一个问题：如何获得一 个高性价比的a d 转换器昵? 本系统将采用压控振荡器( v f ) 芯片l m 2 3 1 a 来构成 电阻和温度测量的a d 转换器。 3 1 2l m 2 3 1 a 的特点 l m 2 31 a 电压频率转换器系列作为一种性能优良的电压控制振荡器芯片，很适合 于用作a d 转换器、精密电压频率转换器、长时间积分器、线性频率调制或解调及其 它功能电路。l m 2 3 1 a 可得到只有昂贵的电压频率( v f ) 转换器才会具有的高水平的 温度特性，十分适用于低电源电压的数字系统，由于从转换器输出的频率可方便地进 1 4 华中科技大学硕士学位论文 行光电隔离，从而提供了良好的共摸干扰抑制能力，抗干扰性很强且便于远距离传输， 它使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低至4 0 伏电源电压下 都有极高的精度，精密定时电路具有低的偏置电流，1 0 0 k h z 电压，频率转换所需的高 速响应也没有出现退化现象。输出可驱动3 个标准t 1 l 负载，高压输出可达4 0 v 且可 防止v 。的短路，l m 2 3 1 a 的性能特点如下： ( 1 ) 最大线性度为o 0 1 ； ( 2 ) 双电源或单电源工作，可在单5 v 电源下工作； ( 3 ) 脉冲输出与所有逻辑形式电路兼容； ( 4 ) 具有最佳温度稳定性，最大值为：5 0 p p m c ； ( 5 ) 小功耗，5 v 下典型值为1 5 m w ； 翰宽的动态范粼，1 0 k h z 瀵量瑕频率下疑小值1 0 0 d b ； ( 7 ) 满量程频率范围：1 h z 1 0 0 k h z 。 毛m 2 3 l a 构藏a 国蠡冬覆建 l m 2 3 1 a 构成a d 的原理如图3 2 所示。 虼 o 5 v 翻3 2l m 2 3 1 a 构成a ，d 的原理 圈3 2 中，在一般情嚣下，输入滚压v i a 一。 5 v 辩，输溱频率矗一0 , - - 1 0 0 k h z 。v 艨 转换器，把对模拟电压的测嫩转化成了对与模拟电联成正比的频率的计量，如转 换嚣满量程输出频率为1 0 0 k h z ，则辩门时间1 秒可以计1 0 0 k 个数，此时v f 转换相 当予分辨率为1 7 位( 2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 ) 的转换对闽为1 秒的a d 转换器，如闸门时翔控制 在0 1 秒。则相当于分辨率为1 4 位( 2 h = 1 6 3 8 4 ) 的转换时间为o 1 秒的a d 转换器， 摄攒3 。l 。l 述及豹零系统电隰分楼测爨方案，我 】选择计数阕门封闯必0 1 秒，翼g 在满 量稷为1 0 0 k h z 时计数1 0 0 0 0 个，正好与电阻分档测照时每档的测量范围一致，但必须 焉绩弩诱毽邀鼹将务档电錾豹交纯蕊爨转羧藏统一豹0 - , , 0 5 v 交佬弱魄篷镕譬，壶该魄 压倍号去控制v 席转换器输出与其成正比的0 - 1 0 k h z 的振荡频率，张用单片机去测掇 该颥率，获磷达到闽接溅羹电阻静瓣静。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 3a d 转换器设计 a d 转换电路见图3 3 ，需要说明的是，v f 变换器l m 2 3 1 的输出频率须接至单 片机的外中断i n t o 输入引脚，单片机对频率的计数采用中断方式。 v f 转换器l m 2 3 1 的输出频率厶为： f 0 _ r ：v l n ( 2 0 9 r 。c 。r ，) ( 3 1 ) 圈3 ，3a d 转抉电路 3 2 程控精密恒流源设计 由于p t c r 电黻值测薰楚采焉憾流测试法，这就需要一个程按稽密恒滚源，它w 以根据电阻测试的不同量程，由程序控制继电器开关网络来输出不同的恒定测试电流， 继电器开关网络同样也是程控的，歼关网络还用于测试工位切换及系统y o 控制输融。 3 。2 。l 秀关翔络控测毫路 由3 1 带所述可知，由于随着升温炉测攮温度的上升，p t c r 元件阻值也会上升， 要动态实现i 1 0 0 mq 大范嘲的电阻离精度测量，现实酶方法是采用3 1 节的分6 档豢 程测量的方法，如袭3 1 所泳。1 0 个p t c r 电阻的澳4 试必然存在自动量程切换和测试 工彼切换问遂，本系统将采用高可靠微型继电器及模拟集成开关构成切换网络来实现 电嫩测试量程转换、测试工德选择、程控放大器p 7 1 放大倍数的确定以及系统功率的邋 1 6 华中科技大学硕士学位论文 断的作用。 其中电阻测试量程转换需6 个i o 信号控制，测试工位选择需1 0 个i o 信号控制， 程控放大器需2 个i o 信号控制，再加上1 个p w m ( 占空比可调或脉宽调制) 输出信 号i o1 2 1 控制固体继电器( s s r ) 导通，1 个系统功率电源控制i o 信号，其计需要2 0 个1 1 0 端口，为了简化系统硬件设计，本系统的测控箱采用a t 8 9 c 5 2 单片机作为主控 芯片，它有4 个8 位并行的i o 端口，分别是p o 、p i 、p 2 、和p 3 口，p 3 为多功能1 5 1 ， 一般不作通用i o1 2 1 使用，可以用p o p 2 共2 4 个i o 来作为本系统的i o 控制端口， a t 8 9 c 5 2 1 1 q 的i o 的驱动能力一般为3 8 个l s t t l 负载，对继电器须加驱动电路，但 对集成模拟开关d g 2 0 1 可以直接控制。另外，电阻测试量程切换是单片机根据量程自 动换档策略来进行的，这一点将在本文后面的系统软件设计中看到。 努关嬲终控制媳路结 电觅圈3 。4 片帆 n 9 c 5 2 蘼黧静墓斟口 | 。b 耋 麓 蓬巨= r i 嚣象葛j 圈3 4 继电器网络自动切换控制魄路 该电路的驱动采用达林顿管驱动阵列【7 1 1 芯片u l n 2 0 0 3 a ，集成模拟开关忉芯片 d g 2 0 1 壹接凌擎冀撬熬致2 、p 1 3 嚣令i oe l 接割。 3 2 2 程控精密恒流源电路 为了保证p t c r 电阻值测试的糟度，系统采用慨流测试法。由予测试电流恒定， 被测邀阻端魄压值与其阻毽成线性关系，这样，透避溯端电难值就w 知道其疆蓬，舅 外，由于被测对象为热敏电阻，较大的测试电流会璇p t c 热敏电阻自身发热，导致黻 篷增丈，影鹋渊量孝粪疫，戈葜是在低温段测麓酵候，敬要求零系绞教程控援淡源麴簸 1 7 华中科技大学硕士学位论文 出测试呶流一般不宜超过5 m a 。根据表3 。l 可知，系统的电阻钡试范围为l t 0 0 mq ， 共分6 个档，与之对应的是程控恒流源的输出为：l m a 。0 1 m a ，o 0 1 m a ，l u a ，o 1 u a 共5 个值。我们可以剥用运算放大器接成射极跟随器懿方式，遮藏的输惠恒等予竣入 的特性，再配以精密能隙基准源和切换开关电路来构成一个高精度的程控恒流源。 程控精密辍滚滚电鼹冤图3 ，5 图3 5 程控精密恒流源电路简图 图3 5 中，继电器j h i j h 6 相互配合，用于6 个电阻测试档位的不同测试电流的 切换，切换工作由测控箱中的单片机根据测试情况通过程序自动完成的。运算放大器 采用高精度、低失调、低温漂集成运放o p 一7 7 和p n p 三极管9 5 5 0 接成射随器形式， o p - 7 7 的同相输入端n + 1 5 v 电源之间的电位被精密基准源l m 3 8 5 精确稳定，其稳定 值由j h 5 、r 6 和j h 5 、r 6 分别稳定在1 0 0 0 v 与o 1 0 0 v ，这样，o p 7 7 的同相输入到 + 1 5 v 的压降与9 5 5 0 发射极到+ 1 5 v 的压降恒等。由精密可调电位器w 1 、电阻r 1 和 微型继电器j h l 构成一个支路接在o p - 7 7 的反相输入端与+ 1