基于单片机和LabVIEW的四探针法测薄膜电阻

 2022-01-17 11:01

论文总字数:19798字

目 录

1. 前言…………………………………………………………………………………………1

1.1 虚拟仪器………………………………………………………………………………1

1.2 单片机…………………………………………………………………………………1

1.3系统硬件及工作流程……………………………………………………………………1

1.4 LabVIEW和串口通信……………………………………………………………………7

1.5 四探针法和薄膜电阻……………………………………………………………………8

2. 实验部分…………………………………………………………………………………10

2.1 编写程序………………………………………………………………………………10

2.2 烧录程序………………………………………………………………………………10

2.3 LabVIEW编程…………………………………………………………………………11

2.4 薄膜电阻测量…………………………………………………………………………15

3. 结果与讨论……………………………………………………………………………15

3.1 程序及串口调试………………………………………………………………………15

3.2 实验测量结果…………………………………………………………………………15

3.3 结果处理及分析………………………………………………………………………18

4、总结与展望………………………………………………………………………………18

附录……………………………………………………………………………………………19

参考文献………………………………………………………………………………………23

致谢……………………………………………………………………………………………25

基于单片机和LabVIEW的四探针法测薄膜电阻

沈仕远

, China

Abstract: This thesis mainly introduces the progress of building a system based on Microcontroller and LabVIEW to measure the resistance of the film. As one of the important electrical properties of the film, the film resistance is often represented by sheet resistance. We use four-probe method to measure the film sheet resistance in this experiment. In the system, the data-acquisition terminal is integrated with an AT89C52 as the main control chip and a PCF8951 as the A/D converter. LabVIEW is the main part of the host computer. When the system works, the voltage between the two probes is collected and transmitted to the host computer (PC), and then the data are received and processed by the LabVIEW and displayed to the screen.

Key words: Microcontroller; LabVIEW; film resistance; four-probe method; data acquisition

1. 前言

1.1 虚拟仪器

虚拟仪器(virtual instrument)是由美国国家仪器公司NI(National Instruments)于1986年提出的概念,不同于传统仪器,虚拟仪器(VI)主要作为一种平台工作在计算机端,可以在计算机端实现传统仪器的作用,同时它将计算机软件技术和网络技术与传统的仪器技术相结合,发挥两者的优势,开创了“软件即仪器”的时代。

由于构建虚拟仪器的软硬件平台的多样化(电脑、工作站、I/O部件等),虚拟仪器衍生出的产品也更加地多样化,如软件产品(LabVIEW)、GPIB产品、、VXI控制产品、数据采集产品等。同传统仪器相比,虚拟仪器具有如下几点优势:

1.性能高。

一般的虚拟仪器多是构建在PC或者工作站平台之上,这样它可以充分调用丰富的软件和数据资源,同时也享有计算机的高速处理数据和进行文件I/O等能力,使得它的工作能力远远高于传统仪器技术。此外,随着计算机和网络技术的高速发展,构建在其上的虚拟仪器技术也将展现出越来越快的发展和越来越强大的功能。

2.扩展性强。

得益于软件技术的灵活性,在升级或者扩展虚拟仪器时,往往只需要添加一些扩展的硬件和升级易于嵌套的软件就可以完成升级或者扩展工作,适应新的工作环境和要求。这是基于硬件的传统仪器技术所不能比拟的。

3.易于开发。

虚拟仪器的易于开发体现在软件开发和硬件集成两个方面。虚拟仪器的软件开发随着软件技术的不断发展以及如LabVIEW一般使用图形化编程语言的使用变得越来越简单和方便。而于此同时,虚拟仪器的软件平台拥有丰富的库函数来对各种传统仪器、下位机进行控制并且为全部的I/O设备提供标准的接口与协议,大大方便了多个设备的进行集成和控制,这样硬件方面的开发集成也变得更加方便容易。

1.2 单片机

单片机(Microcontrollers)本质上来讲就是一种计算机系统。一个单片机必须要集成CPU(处理数据)、随机存储器RAM(存储实时数据)、只读存储区ROM(存储程序及静态数据)、多种I/O接口(实现仪器连接)、定时/计数器(时间与次数控制)和中断系统(系统运行与中断控制)才能作为一个完成的系统正常运行。而往往为了实现更多的具体功能,需要再集成其他的硬件如A/D转换器、显示器等。将这些硬件通过大规模集成电路技术集成到仪器构成一个小而完善的微型计算机系统既是单片机。

单片机诞生于20世纪70年代,最开始时作为单片微型计算机SCM(Single Chip Microcomputer)在工业控制领域被广泛使用,只要是以单片形态嵌入系统以进行相关的控制工作。随后发展到微控制器MCU(Micro Controller Unit)阶段,主要是通过各种外围电路和接口电路的连接来达到系统的要求,实现嵌入式应用,凸显出单片机对对象的智能化控制能力。发展到如今,随着各方面技术的进步,应用系统能够在芯片上得到最大化解决,单片机也自然进入到嵌入式系统SoC(System on Chip)阶段,各种功能的实现通过芯片之间的电路连接和I/O接口的对接完成。

1.3 系统硬件及工作流程

以下是对系统所用到的主要硬件A/D转换器PCF8591及主控芯片89C52特性及其工作流程的介绍。

首先介绍下A/D转换器的相关理论。

(一)模拟量与数字量。

模拟量是指在一定范围内是连续变化的量,在理论上可以取到范围内任意的值。而数字量,相对于模拟量,是离散的、分离的,在值域内只能取到有限的值,所能取到的值的精度取决于数字量的表达方式。在下位机(单片机等)和上位机(微机等)的内部都是采用以二进制为根本的数值表达方式进行计数和运算,所以其采用的是数字量。而日常生活中往往需要采集的数据如温度、电压等往往都是模拟量,这样就需要在采集时将模拟量转化为数字量以便于在上下位机之间进行运算和传输。所以在下位机采集到模拟信号后需要在后面加上模数转化器(ADC)将模拟量转化为数字量才能进行之后的操作。而在输出时,往往会在最后加上数模转换器(DAC)将数字量转化为模拟量输出以方便直观连续地呈现结果。一个完整的数据采集、处理和输出系统一般都需要同时使用这两种转换器。

(二)转换原理。

模数转换器(ADC)工作原理有两种,一种是直接转换,一种是间接转换。直接转换就是将模拟量直接转换为数字量,不经过中间变量。而间接转换则是将输入的模拟电压转换为某个其他的中间变量,然后再把这个中间变量转换为数字变量进行输出。较为常用的有逐次逼近法(直接转换)和双积分法(间接转换)。

图1所示是逐次逼近法A/D转换器的工作原理图,VIN是采集到的待转换的模拟电压输入量,VN为设置好的数字参考电压(以二进制表示,最高位为1,其余位为0),将它们都输入比较器中进行比较,如果VINgt;VN,则将VN的最高位置1,如果VINlt;VN,则将VN的最高位置0,再将此时的VN的值存到寄存器中,并将此时的最高位存储到锁存缓存器中,再将VN的下一位置1继续与VIN比较,这样依次进行比较和调整直到最后一位,此时锁存缓存器中的值就是转换好的数字量。这样根据能够进行比较的VN的位数多少,就将转换器称为几位的转换器。图1中的A/D转换器即为8位A/D转换器,很显然,转换器位数的多少体现了转换的精确性。逐次逼近法的主要优点是转换速度比较快,而且成本较低,这种方法在单片机系统中被广泛使用。

图1 逐次逼近法A/D转换器工作原理图

如图2所示,双积分法的工作原理为:先对待转换的模拟电压VIN进行固定时间T的积分,然后再进行反向积分返回到初始值,则此次积分所用的时间T1(T2)与VIN的大小是成正比的。使用高频标准始终脉冲来测量时间T,即可以得到相应模拟电压的数字量。显然这种方法是先将模拟量转化为CPU对电压值完成反向积分所用的时间量,再测量这个时间量来得出相应的数字量,即为转换的结果。双积分法的电路设计简单,也有较强的抗干扰能力,但是实现一次转换所需的时间比较长,工作效率不高。

另一方面,D/A转换由于输入量就是数字量,实现起来就更加简单。D/A转换器实现数模转换的基本原理就是将二进制表示的数字量的每一个数字代码赋予一定的权重,对应不同大小的值,然后以电流或者电压来表示出来,再转换成需要的模拟量形式。

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