（电路与系统专业论文）软磁材料矫顽力自动测试控制电路与系统软件的设计与实现.pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 矫顽力是软磁材料的主要静态磁性参数之一，因此对软磁材料的矫顽力进行 精密测量很重要。目前，电工纯铁矫顽力的测量，都是以测量标准样件来代替各 种形状软磁零件的检测方法。由于目前的矫顽力检测中采用对标准样件测量代替 对零部件测量，造成加工和生产厂家在磁性能上的不统一。 本课题针对继电器各种形状开磁路软磁材料零件直接测试矫顽力的问题，研 究该参数自动测试控制系统的构成，设计并实现具有量程自动转换、系统自校零、 结果数据自动存储和上位计算机控制进行离线测量等功能的软磁材料矫顽力自 动测试控制电路。 测试控制的硬件部分在空气推动振动线圈法及与其配套的信号检测电路的 基础上，依据信号的流程，设计了以单片机为控制核心的键盘控制数据显示、数 据采集、数模转换和串行通讯等功能的电路。 系统软件服务于硬件电路各个部分，软件模块通过对各功能电路的控制，实 现按测量流程的自动控制、人机交互、采集数据、数据处理和结果存储、与上位 机通讯工作，并完成相关的运算处理。 经过不懈努力，完成一套自动测试控制系统相关功能电路，试运行结果表明， 满足基本功能设计的要求。 关键词：软磁材料矫顽力自动测试控制 西北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o r e c i v i t yi so n ek i n do fv i t a ls t a t i cm a g n e t i cp a r a m e t e r s ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t h a tc o r e e i v i t ym e a s u r e m e n tt os o f tm a g n e t i cm a t e r i a l a tp r e s e n t ，c o e r c i v i t y m e a s u r e m e n to fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a li st h r o u g hm e a s u r es t a n d a r ds a m p l e si n s t e a d o fp r a c t i c a lc o m p o n e n t s h o w e v e r , i ti sl e a dt om a g n e t i cc h a r a c t e r sm e a s u r ed i s a g r e e b e t w e e n p r o d u c e r sa n dp r o c e s s o r s a i ma t c o e r c i v i t y m e a s u r e m e n to fd i f f e r e n ts h a p eo p e nm a g n e t i cc i r c u i t e l e c t r i c a lp u r ei r o nc o m p o n e n t s ，t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g nas e to fc o e r c i v i t y a u t o m a t i ct e s ta n dc o n t r o lm e t h o d i tc o m et or e a l i z eas o f tm a g n e t i cm a t e r i a l c o e r c i v i t ya u t o m a t i ct e s ta n dc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a sm e a s u r e m e n tr a n g ea u t oj u d g e ， s y s t e ma u t oz e r op o i n tc o r r e c t i o n ，a u t or e s u l t ss t o r a g e ，o f f l i n em e a s u r e m e n tb yr e m o t e c o m p u t e re t c t h eh a r d w a r ec i r c u i to fa u t o m a t i ct e s ta n dc o n t r o ls y s t e mi sb a s e do na i r v i b r a n c yw i n d i n gm e a s u r e m e n ta n ds i g n a lm e a s u r e m e n tc i r c u i t ，a c c o r d i n gt os i g n a l p r o c e d u r e ，d e s i g ne l e c t r i cf u n c t i o n a lc i r c u i tt h a tm o n o l i t h i cp r o c e s s o r ( m p u ) a s c o n t r o l l e r , i n c l u d i n gk e y b o a r dc o n t r o la n dd i s p l a yp a r t ，d a t aa c q u i s i t i o np a r t ，a n a l o g t od a t ac o n v e r tp a r t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ne t c s y s t e ms o l a r e s e r v et oe v e r yh a r d w a r ep a r t s ，p r o g r a mm o d u l e st h r o u g h o p e r a t i n gh a r d w a r ep a r t s ，a c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o lo fm e a s u r ep r o c e s s ，h u m a n i n t e r f a c e ，a u t o m a t i c a l l ya c q u i r ed a t a ，d a t ap r o c e s s i n g ，r e s u l t ss t o r a g e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dp e r f o r ma l lo f c a l c u l a t et a s k s a f t e rs e v e r a lm o n t h sh a r dw o r k ，t r a i l - p r o d u c ea u t o m a t i ct e s ta n dc o n t r o lc i r c u i t t h r o u g ht h ec i r c u i to p e r a t i n g ，i ts h o w st h ec i r c u i td e s i g ns a t i s f i e db a s i cd e s i g n r e q u i r e m e n tg e n e r a l l y k e y w o r d s ： c o e r e i v i t y s o f tm a g n e t i cm a t e r i a la u t o m a t i ct e s ta n dc o n t r o l 2 西北大学学位论文知识产权声明书 y 8 9 3 7 2 7 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交伦文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 传诵泉 指导教师签名：越兰逢 弘口年f 月f 日如，z 年彩月多目 西北大学学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：陆铜泉 z 一。年月l 日 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 磁性材料无论是对于国防建设、还是日常生活都是不可缺少的功能材料，在科技、 电子信息等技术中也扮演重要的作用。软磁材料是其中应用最广泛、种类最多的材料 之一。矫顽力( h c ) 是软磁材料最重要的直流参数之一，是其磁性能的表征，对它的 测量尤为重要。 1 1 磁性材料知识简介 1 1 1 软磁材料和矫顽力 磁性材料是指具有可利用的磁学性质的材料”。根据用途的不同以及材料所表现 的磁性差异，可将磁性材料分为软磁材料、永磁材料、矩磁材料、旋磁材料和压磁材 料五大类【2 1 。 软磁材料是在外磁场中很容易磁化和退磁、去掉外磁场后又容易失去剩磁的一大 类磁性材料。基本特征是易磁化和饱和，反映在磁滞回线和磁化曲线上的特征参数磁 导率高，矫顽力h c 小，高饱和磁感应强度和低的磁滞损耗。因此软磁材料被用于 各种电机、变压器、继电器、磁放大器、电磁铁极头及各种测量仪器中的传感器等。 除过软磁材料被应用于交流励磁的场合外，它还被应用在作为产生直流磁通的场合， 因此软磁材料的直流磁特性是评价低频场下材料性能的关键。软磁材料最重要的几个 直流参数为：磁导率队剩磁b r 和矫顽力h c 。 在外加磁场的作用下，磁性材料由磁中性状态变成对外显示磁矩状态的过程称为 磁化。将铁磁性物质放入磁场强度为h 的外磁场中，该物质本身将产生附加磁场，附 加磁场与外磁场叠加后产生的合成磁场称此感应强度b 。两者的关系为b = i - t h ，u 称为 磁导率。 铁磁性物质经外磁场磁化达到饱和( b s ) 后【3 】如将磁场强度逐渐减小，由于磁 滞后现象的存在，当外磁场强度( h ) 退到零时，此时磁感应强度不为零，这时的磁 感应强度成为剩余磁感应强度( b r ) 。然后，反方向逐渐增加磁场强度，磁感应强度 西北大学硕士学位论文 逐渐减小直到为零，这时对应的磁场强度称为矫顽力( h e ) 。若进一步在反方向增加 磁场，磁感应强度则沿着负向增加，直到饱和。当磁场由负饱和场连续变到正向饱和 场时，磁感应强度相对于坐标原点对称变化，形成一条闭合的回线，称为磁滞回线。 在物体磁化过程中，磁力线通过物体本身构成闭合环路成为闭合磁路。反之， 称之为开磁路。 而 十h c f b r 生 一廿s h 图1 1 磁化曲线和磁滞回线 1 1 2 磁性测量 磁性测量的主要任务是揭示材料在外磁场作用下所表现出的宏观磁特性。在工业 和科研测试中，磁测量所依据的原理主要有：( 1 ) 磁极间的机械力效应( 如磁强计) ： ( 2 ) 电磁感应定律；( 3 ) 物质的磁效应，如霍尔效应、磁电阻效应、核磁谐振、磁光 效应( 法拉第效应) 、半导体对磁场的敏感效应等。磁性测量主要分为静态磁性测量和 动态磁性测量两大类。本文所讨论的直流矫颃力测量正属于静态磁性测量。 磁学基本物理量： 磁场强度：指空间某处磁场的大小。用h 表示，它的单位是安米( a m ) 。 磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用m 表示，单位是安米( a m ) 。用 它来描述宏观物质的磁性强弱。 磁感应强度：将磁性材料放入外磁场h 时，材料内的原子磁矩取向并产生附加磁场， 通常把附加磁场与外磁场叠加后的含磁场称为磁感应强度( b = ”o ( h + m ) ，m o 为真空导 磁率) ，用b 表示，磁感应强度也称为磁通密度，单位是特斯拉( t ) 。它与磁场强度 h 的关系为：b = t i n ，式中= l + 4 ：r z ，称为物质的磁导率。 西北大学硕士学位论文 1 2 课题研究的背景及意义 矫顽力( c o e r e i v i t y ) 是软磁材料的主要静态磁性参数之一。多年来，对软磁材料 矫顽力的测量，都是以测量标准样件来代替各种形状软磁零件的检测方法。然而，对 于继电器铁芯这样测量存在不足之处【3 1 。 构成继电器铁芯磁性零部件的主要材料是电工纯铁、铁镍合金、低碳钢及其它的 软磁材料。描述继电器电气性能主要参数之一是吸合及释放时间，而矫顽力l t e 的大 小直接影响到继电器吸合及释放时间。软磁材料在机械加工过程中受机械应力的作用， 磁性材料的矫顽力升高，为了降低材料的矫顽力一般采用热处理方法。但是矫顽力的 测量方法各个厂家都不一样，如果采用测量标准件的矫顽力来代替零部件的磁性能， 由于零部件的形状很复杂相应的磁路会发生改变，由此造成加工和生产厂家在磁性能 上不统一甚至纠纷。 1 - 3 矫顽力测量国内外研究现状 1 3 1 国际发展现状 国际电工委员会发布的i e c 标准是目前世界公认的权威技术标准【4 1 。其中， i e c 4 0 4 - 7 标准详细规定了开磁路中磁性材料矫顽力的测量方法。就全球范围内，磁性 材料专用仪器的研制生产集中在美、德、日等先进国家。代表产品有美国l d j 公司的 l d j 9 0 0 0 震动试样磁强计；德国的手动式气振动矫顽力计；s h e c o r p 开发的s q u i d 超导磁强计等。 近年来，国外磁性测量仪器正朝全自动多功能和智能化方向发展，如美国惠普公 司提供全套的计算机控制的磁滞回线自动测试仪，提供测量软磁材料的多个技术参数。 1 3 2 国内发展现献 我国磁性行业积极地等效或等同采用i e c 及i s o 标准推荐的测量方法，同时，全 国磁性元件和铁氧体材料标准化技术委员会已制定一系列符合我国国情的磁性材料与 器件测量标准，如g b 3 6 5 6 8 3 电工用纯铁磁性能测量方法，g b 3 6 5 7 8 3 软磁合金直流 磁性能测量方法，g b t 1 3 8 8 8 - 9 2 开磁路中测量磁性材料矫顽力的方法等。相应的产品 有湖南娄底市联众科技有限公司的m a t s 2 0 1 0 s d 软磁直流测量装置，陕西省计量研 究所的m t - 2 0 0 8 软磁材料开路矫顽力自动测试系统等。国内产品目前也逐渐向智能化 西北大学硕士学位论文 多功能方向发展，如联众科技有限公司的m a t s 2 0 1 0 s d 软磁直流测量装置能提供测 量软磁材料试样的全套参数。 我国在磁测量理论、测量方法研究方面接近国际先进水平。但是，我国生产的磁测 量仪器在精度、可靠性、自动化程度、外观造型诸方面与国外产品尚有较大差距。 1 4 软磁材料矫顽力测量原理 矫顽力测量既可在闭合磁路中进行也可以在开磁路中进行，在闭合磁路测量矫顽 力比较困难。它要克服由磁轭引起的误差等，但它测量的是矫顽力的“真”值h c b ( 称 磁感矫顽力) 。在开磁路测量矫顽力比较简单并且广泛应用于大量的磁性试验中，但在 这种情况下测量的不是h c b ，而是称之谓内禀矫顽力的h c j 。不过对于矫顽力小的软磁 材料而言，h c j 和h c b 之间的差别是可以忽略的陋i 。 在开磁路状态下测量磁性材料样品及零件的矫顽力，在工业上已得到了广泛应 用。在开磁路中测量的是试样磁极化强度为零时的内禀矫顽力h c j 。国家标准 g b 3 6 5 6 8 3 和国际电工委员会标准i e c 4 0 4 7 都制定了在开路中测量磁性材料矫顽力 h c j 的方法。1 9 8 3 年发布的国家标准g b 3 6 5 6 8 3 ，是一种以冲击检流计作为零磁通指 示器，采用抛移法测量标准样件代替零件的检测方法1 6 。国际电工委员会标准 1 e c 4 0 4 7 ，是采用磁通门传感器或采用霍尔效应传感器作零磁通指示器【7 1 ，以测量标 准样件代替零件的检测方法。本文中的矫顽力自动测试控制电路正是在空气振动线圈 法的基础上设计的。 空气振动线圈法【8 1 该方法是以感应法为基础的抛移法原理的一种发展型。通过传感器线圈和被测试 样在螺线管中作周期性的相对运动来获得信号。传感线圈中产生的感应电势，经放大 后显示出数值。根据法拉第电磁感应法，一个线圈在恒定磁场运动时，切割磁力线， 线圈就有感应电势。 e ：尉堕c o s 口 讲 7 式中b 一被检测试样磁感应强度( t ) ； l 一运动线圈的长度( m ) ； 4 西北大学硕士学位论文 d x d t - - j 重动线圈、运动距离和时间变化量( m s ) m 一运动线圈与螺线管磁化场源夹角( 度) 。 围12 气动振动线匿法原理图 空气振动矫顽力计与抛移法的不同在于：抛移法是试样或测试线幽在均匀磁场中 人为地作相对运动，同时在感应线圈巾产生感应电势。空气振动矫顽力计，则是传感 线圈在均匀磁场中作往复运动时产生感应电势，被测试样不动。 传感线圈的振动是由一振荡器产生一个低的振荡频率推动电磁线圈振动、作为振 动源( 如扬声器的音圈振动) 使空气产生脉冲振动。该脉冲振动源通过一根橡皮管道， 形成一个空气柱传递到传感线圈，驱动传感线圈在均匀磁场中作轴向往复运动。由于 传感线圈的运动，产生感应电势，这一感应电势输入前置放大器，经选频放大器，将 不需要的频率衰减，再经带遁滤波器到指示器( 如图1 2 所示) 。 1 5 自动测试控制电路设计方法 1 5 1 设计原理 软磁材料开磁路矫顽力自动测试控制系统是由单片计算机作为控制系统主机( 原 理如图13 ，虚线框之内的部分为本文所论及的自动测量控制电路部分) 。由a t 8 9 c 5 2 单片机控制，使被测量试样磁化到饱和状态，然后逐渐退掉磁化场。由于磁性材料 具有磁滞后效应，当磁化场为零时，磁性材料磁化强度并不为零，剩余磁化强度为b r 。 再由8 9 c 5 2 控制，加以反向磁化场使被测量试样剩余磁化强度为零，这时的反向磁化 场强度为材料的矫顽力。由于村料加工成零部件后形状很复杂，在测量过程中，采用 正向磁化测量和反向磁化测量取平均值作为材料的真实矫顽力的测量值。这些测量 西北大学硕士学位论文 过程全部自动完成并存入系统的电可擦除只读存储器( e 2 p r o m ) 中。 图1 3 测量系统原理方框图 1 5 2 测试控制电路的工作流程 由于电路具有a d 采集通道自校零功能。因此，开机后首先在a d 转换输入端采 集零输入信号。进行四次采集后取平均后，作为校零参数存入系统中。 整个测量过程的时序如图1 4 。当测量键按下后，首先令s w 0 s w 2 为0 1 0 即使 用最大量程进行初步测量。根据粗测测得的结果定出精确测量量程。然后，c p u 通过 d a 发出o 5 v 的电压，是磁化恒流源以3 a 的电流加入螺线管使被测量试 “秒) 正向开始落：邕；睁k 1 = ：i e 向结束 反向开始韪?篆阽k 1 = ：反向结束 图1 5d a 输出电压及时间和开关量输出状态 样磁化到饱和b s ，然后以3 0 秒的速度下降到零。这时磁感应强度不到零而处在剩余 6 西北大学硕士学位论文 磁感强度b r ，使k 1 = 1d a 发出o 5 v 的电压以6 0 秒的速度加入测量螺线管使b r = 0 这时采集标准电阻上的电压，反复测量四次，取平均值，减去校零参数u 后求出流过 的电流i 乘以螺线管常数k 为被测量试样的矫顽力h e h e 2 i x k ( 2 ) 因采集的是电压即 i = ( u u ) r ( 3 ) h e 2 【k ( u u ) 】- - r( 4 ) 因为k r 实际上是己知的，实际测量中用校正参数c 表示，因此，公式又可写 为：h e = c ( u - u )( 5 1 设第一次测量结果为h c l 。完成第一次测量后令k i = 0 ，开始重复上述测量过程， k 2 = 1 是磁化螺线管答的电流与第一次的电流方向相反，当d a 以3 0 秒完成退磁后 k 2 = 1 保持不变，k i = id a 发出o 5 v 的电压以6 0 秒的速度加入测量螺线管，使b r = 0 这时标准电阻流过的电流i 乘以螺线管常数k 为被测量试样的矫顽力h e 即h c = c x ( u u ) 为第二次测量结果h e 2 ，将两次测量结果之和除以2 ，求得的平均值作为被测量 试样最终测量结果并存入e 2 p r o m 。 1 6 设计需求和技术指标 本课题针对继电器各种形状开磁路软磁零件直接测试矫顽力的问题，设计并实现 计算机控制自动测试控制电路。基本设计要求能够测量软磁开磁路零件、具有系统自 校零、结果自动存储等功能。扩展功能要求实现量程自动转换和上位计算机控制测量 功能。 技术指标 1 矫顽力测量范围： 5 0 8 0 0 a m 2 测量准确度：3 o 3 被测量零部件尺寸：中：2 3 0 m ml ：1 0 2 0 0 m m 4 自动显示自动打印。 5 测量结果以国际单位制a m 。 西北大学硕上学位论文 第二章测试控制电路设计 2 1 测试控制电路概述 a t 8 9 c 5 2 单片机作为控制主机。单片机通过8 2 7 9 芯片，进行数码显示和键盘输 入。1 2 位d a 转换电路a d 7 5 4 5 担负按要求产生0 至5 v 电压数模转换任务通过继电 器和恒流源装置将电流加在螺线管上已产生所需的磁场强度；单片机的p l 口负责为横 流源继电器开关和自动量程转换继电器提供开关量输出，并且为可擦数只读存储芯片 a t 2 4 c 0 2 提供同步信号和输入输出通道；4 位半a d 转换电路i c l 7 1 3 5 担负将标准电 阻上的模拟电压转换成数字量的任务。 单片机t x d ，r x d 端与串行口2 ，3 端相连，负责与p c 机进行串行通讯。 2 2 硬件分析 2 2 1 电路核心 本系统采用的微控制器是a t 8 9 c 5 2 单片机，它是本系统的核心，担负着系统控 制输入输出、数据采集输入、操作控制及显示、通讯控制、算术运算等任务。最常见 的封装为双列直插4 0 脚封装，各管脚如图2 1 。 f r x d ip 3 d 阿t 0 lp 32 t n p j4 ( - 哺 p 3e f m np 3 7 p 2 f 口i 图2 1a t 8 9 c 5 2 管脚图 a t 8 9 c 5 2 简介 9 1 a t 8 9 c 5 2 是a t m e l 公司生产的8 位c m o s 工艺的单片机。5 v 电压供电，时钟 由外部晶振提供。内含8 k 字节电可擦除的只读存储器e 2 p r o m 可进行上千次擦写； 黼黜黑嚣甑糕 西北大学硕士学位论文 2 5 6 字节r a m ( 包含各种功能的寄存器) ；6 个中断源：外部中断0 ( i n t 0 ) ，定时器0 中断( t 0 ) ，外部中断i ( i n t l ) ，定时器1 中断( t 1 ) ，定时器2 中断( t 2 ) ，串行中断( r x d 和t x d ) ；四个8 位双向端口：p 0 口和p 2 口内含数据锁存器，p 1 口有一定的负载能 力，p 3 口多办分配给了各个中断源；3 个1 6 位定时器：定时器0 ( t 0 ) ，定时器i ( t i ) ， 定时器2 ( t 2 ，t 2e x ) ；1 个u a r t 串行通讯控制器( r x d ，t x d ) 。 2 2 2 硬件输入输出 硬件输入 1 键盘输入 按键：o ：1 ；2 ；3 ；4 ；5 ；6 ；7 ；8 ；9 ：( 小数点) ；s 键( 功能键，按下之后方 能输入参数，再次按下表示确认输入内容) ；m 键( 测量键) ；c 键( 复位键) ；r 键( 上 位机通讯键) ；a 键( 自动选择量程键) 。 键码分配：0 ：0 0 h ；l ：0 1 h ；2 ：0 2 h ；3 ：0 3 h ；4 ：0 8 h ：5 ：0 9 h ；6 ：0 a h ：7 ： 0 b h ；8 ：1 0 h ；9 ：1 1 h ；小数点：1 2 h ；r 键：1 3 h ；s 键：1 8 h ；m 键：1 9 h ；c 键： 1 a h ：a 键：1 b h 。 2 模拟输入量 一路a d 采集通道，采集电压范围0 2 v ； 3 中断输入量 一路数据采集信号到中断。 4 串行通讯输入量 r s 2 3 2 串行总线输入到单片机r x d 端。 5 数字输入量 通过1 2 c 串行总线，由单片机p 1 4 端输入e z p r o m 数据内容。 硬件输出 1 串行通讯输出量 单片机t x d 端输出到r s 2 3 2 串行总线。 2 数字输出量 通过1 2 c 串行总线由单片机p 1 4 端输出到e 2 p r o m 数据内容；5 位共阴极l e d 数 码管显示输出。 9 西北大学硕士学位论文 3 模拟输出量 一路1 2 位d a 输出，电压0 - - 5 v 。 4 时钟信号输出 一路时钟信号输出，单片机软件模拟，由p 1 5 端输出，用于构成1 2 c 串行总线， 与e 2 p r o ma t 2 4 c 0 2 通讯。 5 开关量输出 共6 位开关量输出：两路继电器控制量k 1 ，k 2 输出( p 1 2 ，p i l 3 端) ；三路自动量程 转换控制量s w 0 ，s w l ，s w 2 输出( p 1 1 ，p 1 6 ，p i 7 端) ；一路测量完成报警指示灯输出 ( p 1 0 端) 。 2 3 硬件资源分配 现将单片机a t 8 9 c 5 2 资源规划如下： 2 3 1 单片机内存规划 片内r o m ( 共8 k 字节) ：存放汇编源程序。 片内r a m ( 共2 5 6 字节) 位地址空间：2 a h 的2 a h 1 ，2 a h 6 ，2 a h 7 存放自动量程开关量；位地址6 a h 置 位在中值滤波中表示进行最大最小值更新；6 b h 置位表示功能键s 键是否按下；用户 自定义标志位p s w 5 ，置位表示a d 采集信号的中断信号已到；7 d h 置位表示自动量 程转换中的初步测量( 粗测) 已完成；7 e h 置位表示自动测量键“a ”已按下；7 f h 置位表示测量螺线管磁化完成。 字节地址空间：3 0 h 3 5 h 存放位压缩的参数b c d 码( 含小数点) ；3 6 h 3 8 h 参 数浮点b c d 码和浮点二进制数最终结果浮点b c d 码：3 9 h 3 b h 存放每次a d 转换 结果的压缩b c d 码；3 c h 3 e h 存放反向粗测结果的浮点b c d 码；4 0 h 4 2 h 存放6 次a d 结果之和的压缩b c d 码及其浮点b c d 码；4 3 h 4 5 h 存放正向测量结果的b c d 码：4 6 h 4 8 h 存放除数4 0 0 0 0 的浮点b c d 码；4 9 h 4 b h 存放除数2 的浮点b c d 码，用以两次测量取平均；4 c h 4 e h 存放正向粗测结果的浮点b c d 码；5 0 h 作为传 送e 2 p r o m 的读写缓冲区：5 1 h 5 2 h 将结果的浮点b c d 码的每个字节转为未压缩的 b c d 码存放；5 c h 5 e h 存放a d 转换的极大值；6 0 h 6 5 h 存放测量结果的未压缩 o 西北大学硕士学位论文 b c d 码以各显示使用；6 a h 6 c h 存放a d 转换的极小值：6 d h 6 f h 作为运算缓冲 区；7 0 h 7 1 h 存放d a 输出时的输出量，以备意外故障复位之用；7 2 h 7 4 h 存放 a d 转换器校0 参数；7 5 h 7 7 h 存放自动转换量程相乘系数的浮点b c d 码；7 8 h 7 a h 缓存自动量程系数，为运算服务；8 0 h f f h 作为系统的堆栈缓冲区。 2 3 2 单片机i 0 资源规划 p o 口作为公共数据总线和地址总线的低8 位。p 1 口作为开关量输出口，p 1 0 位作为测量完毕指示信号，p 1 1 ，p 1 6 ，p 1 7 分别作自动量程转换控制信号的开关量( 共 5 档，共需3 位开关，由低至高依次为s w 0 ，s w i ，s w 2 ) ；p 1 2 和p 1 3 作为继电器开关 量k 1 ，k 2 。p 2 口作为地址总线高8 位。p 3 口的r x d 和t x d 分别作为r s 2 3 2 总线的 收发端，外部中断0 接收键盘显示中断：外部中断l 作为a d 转换部分的扩展芯片的 8 1 5 5 所占用；定时器0 作为扩展中断，接收a d 转换标志中断。 外设地址：2 0 0 0 h 2 0 0 1 h 供键盘显示芯片8 2 7 9 使用：4 1 0 1 h 4 1 0 4 h 供a d 转换电路中的8 1 5 5 接口芯片使用；6 0 0 0 h 选通1 2 位d a 转换器和缓存低8 位数据， e 0 0 0 h 锁存商四位d a 转换数据。 定时器资源分配： 定时器0 作为扩展外部中断，接收a d 转换标志中断。定时器1 作为串行通讯的 波特率发生中断。 中断资源分配： 外部中断0 ( i n t 0 ) 接收键盘显示中断，供键盘显示芯片8 2 7 9 使用。外部中断1 ( i n t l ) 作为a d 转换部分的扩展芯片的8 1 5 5 所占用。定时器0 作为扩展外部中断， 接收a d 转换标志中断。定时器1 作为串行通讯的波特率发生中断。 串行中断为串行通讯服务。 2 4 键盘控制及显示部分电路 键盘控制以及显示主要通过8 2 7 9 键盘显示控制芯片来完成。当有按键按下时， 8 2 7 9 即产生中断向单片机提请键盘中断，单片机响应中断后从8 2 7 9 数据口中读取相 应的键码。 西北大学硕士学位论文 2 4 1 眈7 9 器件简介1 0 i n t e l 8 2 7 9 芯片是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成 键盘输入和l e d 显示控制两种功能。其内部结构如图2 2 所示。8 2 7 9 包括键盘输入 和显示输出两个部分。 键盘部分提供的扫描方式，可以和6 4 个按键或传感器的阵列相连。能自动消除 c u c d # f r ：0 1 o t r r a p ：a l o t r p ：棚 r 讲郡s h i f t 图2 28 2 7 9 结构框图 开关抖动以及n 个键同时按下的保护。 显示部分按扫描的方式工作。可以显示8 或1 6 位l e d 显示块。 2 4 28 2 7 9 电路工作原理 1 加控制及数据缓冲器 数据缓冲器是双向缓冲器，连接内、外总线，用于传送c p u 和8 2 7 9 之间的命令 或数据；i o 控制线是c p u 对8 2 7 9 进行控制的引线。c s 是8 2 7 9 的片选信号，c s = 0 时，8 2 7 9 才被允许读出或写入信息。w r 、r d 为来自c p u 的控制信号。 a 0 用于区别信息特性：a 0 = i 时，表示数据缓冲器输入为指令、输出为状态字： a = 0 时，输入、输出皆为数据。 2 控制与定时寄存器及定时控制 西北大学硕上学位论文 控制与定时寄存器用来寄存键盘及最示的工作方式，以及由c p u 编程的其它操作 方式。这些寄存器一旦接受并锁存送来的命令，就通过译码产生相应的信号，从而完 成相应的控制功能。 定时控制包含基本记数键。首级计数器是一个可编程的n 级计数器。n 可以2 3 1 之间由软件编程，以便从外界时钟c l k 分频得到内部所需要的1 0 0 k h z 时钟。然 后再经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。 3 扫描计数器 扫描计数器有两种工作方式。按编码方式工作时，计数器作二进制记数。4 位记 数状态从扫描线s l 0 s l 3 输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线； 按译码方式工作时，扫描计数器的最低二位被译码后，从s l 0 s l 3 输出。因此，s l 0 s l 3 提供了4 中取1 的扫描译码。 4 回复缓冲器、键盘去抖及控制 来自r l 0 r l 3 的8 根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。 在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的行列输入线。在逐行列输入时，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1 0 m s 后，再检验该键是否继续闭和，并将该键的地址和附加的移位、 控制状态一起形成键盘数据被送入8 2 7 9 内部f i f o ( 先进先出) 存储器。键盘数据格 式如下： d 7d 6d 5d 4d 3d 2d l d 0 控制和移位( d 6 、d 7 ) 的状态由两个独立的附加开关决定，而扫描( d 5 、d 4 、d 3 ) 和回复( d 2 、d 1 、d o ) 则是被按键置位的数据。d 5 、d 4 、d 3 来自动扫描计数器，是 按下键的行列编码，而( d 7 d 7 d 7 ) 则来自行n 计数器，它们是根据回复信号而确定 的行列编码。 在传感器开关状态矩阵方式中，回复线的内容直接被送往和相应的传感器r a m ( 即f i f o 存储器) 。 在选通输入方式中，回复线的内容在c n t l s t b 线的脉冲上升沿被送入f i f o 存 储器。 5 f i f o 传感器及其状态寄存器 西北大学硕士学位论文 f i f o 传感器r a m 是一个双重功能的8 8 r a m 。 在键盘或选通方式工作时，它是f i f o 存储器，其输入或读出遵循先入先出的原 则。f i f o 状态寄存器用于存放f i f o 的工作状态。例如，r a m 是满还是空；其中存 有多少数据；是否操作出错等。当f i f o 存储器不空，状态逻辑将产生i r q = i 信号向 c p u 申请中断。 在传感器矩阵方式工作时，这个存储器以是传感器不是存储器。它存放着传感器 矩阵中的每一个传感器状态。在此方式中，若检索出传感器的变化，1 r q 信号变为高 电平，向c p u 申请中断。 6 显示r a m 和显示地址寄存器 显示r a m 用来存储显示数据。容量为1 6 x 8 位。在显示过程中，存储的显示数据 轮流从显示寄存器输出。显示寄存器分别为a 、b 两组，o u t a 0 3 和o u t b 0 3 可以单独送数，也可以组成一个8 位的字。显示寄存器的输出与显示扫描配合，不断 从显示r a m 中读出显示数据，同时轮流驱动被选中的显示器件，以达到多路复用的 目的，使显示器件呈现稳定的显示状态。 v j_ ，- ， - i * ， h 3 ， 坤 盯一 ， l - 韩 一 ， 疆 1 1 7 h ” t ， 越 扣la 图2 38 2 7 9 引脚圈 显示地址寄存器用来寄存由c p u 进行读写显示r a m 的地址，它可以由命令设定， 也可以设置成每次读写或写入之后自动递减。 8 2 7 9 采用4 0 引脚封装，其管脚、引线功能如图2 3 所示。键盘设计：首先，将8 2 7 9 定义为键盘输入方式，亦称键扫描方式。此时，回馈线r l 7 r l 0 和扫描线s l 3 s l 0 来决定按下键的键编码( 键值) 。键盘总共1 6 个键及相应的需要1 6 个键码；则回馈线 与扫描线构成4 4 的方式既可满足需求，及四根回馈线与键盘列线相连，四根扫描线 1 4 西北大学硕士学位论文 与键盘行线相连，产生的相应键值为o o h ；0 1 h ；0 2 h ；0 3 h ；0 8 h ；0 9 h ：0 a h ；o b h ； 1 0 h ：1 1 h ：1 2 h ；1 3 h ：1 8 h , 1 9 h ；1 a h ：1 b h 。 四根扫描线由s l 2 s l 0 通过三八译码器产生( 即所谓的译码扫描方式) ，当有键 按下时，相应的扫描线和回馈线就会短接在一起。扫描线上产生的低电平意味着闭合， 将由回馈线r l 0 r l 4 中相应的线所采集的状态送入f i f o 寄存器相应的行中。按键 按下后自动产生相应的键码送入f i f o 寄存器中，并同时产生中断请求信号，送往单 片机的外部中断0 向量。当单片机响应中断，执行中断服务程序，并从f i f o 读取数 据编码之后，则i r q 信号将自动撤销。8 2 7 9 被分配有两个地址，一个地址是命令状 态寄存器地址( 2 0 0 1 h ) ，一个是数据字寄存器( 2 0 0 0 h ) 。系统初始化时，先将8 2 7 9 初始化为右端输入，8 字节显示方式( 系统仅需五位数码显示) 。由于单片机晶振为 1 1 0 5 9 2 m h z ，为获得1 0 0 k h z 的分频时钟，只需将分频系数定位1 9 分频即可。 显示设计：显示是由五个共阴极l e d 数码管s m 4 2 0 8 来承担。由于数码管显示需 要一定的电流驱动，因此在构成这部分电路时，必须要进行电流驱动设计。 共阴显示码从8 2 7 9 的o u l a o o u t a 3 和o u t b 0 o u t b 3 端输出，连续通过两 个8 双向3 态数据缓冲器7 4 l s 2 4 5 以增强带负载能力。由三八译码器输出的五根扫描 线通过7 4 l s 0 4 反向器和方向驱动器s n 7 5 4 5 2 与数码管的共阴端相连接，从而能提供 高达1 0 0 m a 的驱动电流以满足数码管的显示需要。 图2 4 键盘控制显示电路 西北大学硕士学位论文 2 5 信号采集部分电路设计 在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将监测到的连续变化的模 拟量如温度压力、流量、速度等转换成离散的数字量，才能输入到单片机中处理。若 输入的是非电模拟信号，还需经过传感器转换成电信号。实现模拟量变换成数字量的 设备称为模数转换器( a d c ) ，简称a d 。 2 5 1a d 转换器的种类 尽管a d 转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有三种类型。逐次逼近式 a d 转换器，双积分式a d 转换器和v f 变换式a d 转换器。 2 5 2 a d 转换器主要技术指标1 1 1 1 分辨率 对于a d c 来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的 变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与2 “之比值，其中n 为a d c 的位数，例 如：具有1 2 位分辨率的a d c 能分辨出满刻度的l 2 1 2 或满刻度的0 0 2 4 5 。一个1 0 v 满刻度的1 2 位a d c 能够分辨输入电压变化的最小值为2 4 m v 。 2 转换速率 a d c 的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成 一次a d 转换所需的时间( 包括稳定时间) ，则是转换速率的倒数。 主要技术指标还有量化误差，偏移误差，满刻度误差，线性度，绝对精度，相对 精度等，这些将在误差分析议长中详细讨论。 2 5 3a d 转换器选型 a d 转换器按照输出代码的有效位数分为4 位，6 位，8 位，1 0 位，1 2 位，1 4 位， 111 1 6 位和b c d 码输出的3 寺位，4 寺位，5 l ，位等多种；按照转换速度可以分为超高速( 转 二 换时间小于等于l 纳秒) ，高速( 转换时间小于等于l 微秒) ，中速( 转换时间小于等 于1 毫秒) ，低速( 转换时间小于等于1 秒) 等。 1 确定a d 转换位数 a d 转换器位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关，但 又不能唯一确定系统的精度。估算时，a d 转换器的位时至少要比总精度要求的最低 分辨率高一位。实际选取的a d 转换器的位数应于其他环节所能达到的精度相适应， 6 西北大学硕士学位论文 即不低于它们就行。选得太高也没有意义，而且价格太高。 2 确定a i ) 转换器的转换速率 a d 转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就 是a d 转换器的转换时间；其倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。积 分型a d 转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速 a d 转换器，适用于温度、压力、流量等缓慢变化的参量的监测和控制。逐次比较型 a d 转换器的转换时间可从几“s 到1 0 0 9 s 左右，属于中速a d 转换器。 3 是否要加采样保持器和基准电压源 直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。基 准电压源是提供给a d 转换器在转换时所需要的参考电压，这是为保证转换精度的基 本条件。在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源供给。 考虑到测试控制电路所采集的信号基本上是直流信号( 属于慢变化信号) ，采用低 速的双积分型a d 转换器就可以了。另外，考虑到本系统的软件算法为四位十进制有 效数字，而精度要求为三位半b c d 码，所以所选用的a d 转换器分辨率至少应是4 位半b c d 码的a d 转换器。综合这些因素，本系统采用四位半双积分型a d 转换器 i c l 7 1 3 5 作为数转换芯片。下面简单介绍一下i c l 7 1 3 5 。 m ，n 1 4 i l s 吣 翟n 町雌 f l 戳a 1 i t t l t 图2 51 c l 7 1 3 5 引脚分布 i c l 7 1 3 5 是美国1 n t e r i l 公司的产品，是目前国内市场上广泛流行的单片集成四 位半双积分型a d 转换器。它具有4 位半的精度( 相当于1 4 位二进制数) ，自动校零， 自动极性输出，