單片機在絕熱材料導熱系數測定系統中的應用

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，人們環(huán)保意識的增強，對建筑材料的要求越來(lái)越高，導熱系數作為衡量建筑材料保溫性能的重要指標一直為人們所重視，因而開(kāi)發(fā)設計出高精度絕熱材料導熱系數測量儀器十分必要。絕熱材料導熱系數測量基于一維穩態(tài)傳熱原理，測出試件冷熱面的平均溫度（TC、TH）和穩態(tài)加熱功率(P),由下式即可計算出導熱系數:λ＝Pd/A(TH-TC),其中d為試件厚度，A為試件對應主加熱器部分的橫截面積。整個(gè)測量系統主要由爐體和溫度、功率測控系統兩部分組成，爐體按國家標準的要求加工制造，大同小異，而溫度、功率測控系統則隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展不斷更新。

溫度、功率測控系統的特點(diǎn)是要測量和控制多路溫度信號，判斷到達設定的狀態(tài)后再進(jìn)行計算。常見(jiàn)的設計方案是：用熱電偶或鉑電阻作溫度傳感器，輸出的模擬電信號經(jīng)過(guò)模擬放大和濾波，進(jìn)入高精度模/數轉換器（ADC），再經(jīng)過(guò)單片機的判斷、計算

MSC1212的內部結構圖如圖1所示。MSC1212工作電壓2.7 V～5.25V，微控制器核是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的8051內核，在給定時(shí)鐘源的情況下，它的執行速度比標準的8051內核快三倍，從而使得器件可以在更低的外部時(shí)鐘頻率下工作，在功耗比標準的8051低的情況下，仍可達到相同的性能。同時(shí)，其片內外設十分豐富，包括32位累加器、1個(gè)帶有FIFO的SPI串口、2個(gè)全雙工的UART、32個(gè)數字輸入輸出端、看門(mén)狗定時(shí)器、低電壓檢測、片內上電復位、16位PWM、3個(gè)定時(shí)器/計數器、21個(gè)中斷源。

MSC1212集成了32kB的FLASH存儲器以及1.2kB的SRAM，其FLASH編程模式有串行和并行模式兩種，在上電復位期間通過(guò)ALE和PSEN信號的狀態(tài)來(lái)選擇。PSEN=0，ALE=1時(shí)是串行編程模式。PSEN=1，ALE=0時(shí)為并行編程模式。假如兩者都為1，則工作在用戶(hù)模式。兩者都為0是保留模式，沒(méi)有定義。MSC1212是帶ISP開(kāi)發(fā)功能的單片機系統，與8051的指令集完全兼容，可以用已有的8051開(kāi)發(fā)工具來(lái)開(kāi)發(fā)MSC1212的軟件。主要的開(kāi)發(fā)環(huán)境是匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

2 MSC1212模擬接口介紹

MSC1212的內部集成的模擬接口是它優(yōu)于其他單片機的特征之一，在絕熱材料導熱系數測定儀中擔當了重要角色，有必要先加以詳細介紹。

2.1 ADC結構介紹

MSC1212的ADC是Δ-Σ型，由多路開(kāi)關(guān)（MUX）、溫度檢測器、緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、調制器、數字濾波器、電壓參考組成，有8個(gè)通道，10Hz數據輸出率時(shí)有效分辨率可達24位。

一般ADC都定義成對的輸入端，不可隨意改變，而 MSC1212的ADC輸入端可以由用戶(hù)通過(guò)設置ADMUX寄存器來(lái)定義，可以把8個(gè)通道的任何2個(gè)分別作為同相端和反相端，這種軟件設置使應用變得十分靈活，某個(gè)通道可以在一次測量中用作同相輸入端，下一次測量中卻用作反相輸入端。例如ADMUX=0x01，則定義AIN0為同相輸入端，AIN1為反相輸入端。

當ADMUX所有位置1時(shí)，將選中溫度檢測器工作，返回芯片溫度值，所以也可以把溫度檢測器看作ADC輸入的第9個(gè)通道。

緩沖器使能與否通過(guò)寄存器ADCON0（BUF位置1使能）控制，當緩沖器使能時(shí)輸入阻抗是10GΩ，輸入電壓范圍變小，電流升高，沒(méi)有緩沖器時(shí)MSC1212的輸入阻抗是5MΩ/PGA。一般都要使能緩沖器，除非某一模擬輸入端電壓大于A(yíng)VDD-1.5V。 通過(guò)改變寄存器ADCON0的低三位，可編程增益放大器（PGA）的增益可被設置為1、2、4、8、16、32、64和128。使用PGA可以提高ADC的有效分辨率。例如，當PGA為1且采用5V量程時(shí)，ADC能分辨到1uV。PGA為128且采用40mV量程時(shí)，分辨到75nV。通過(guò)設置寄存器ODAC，PGA的模擬輸入可以通過(guò)高達其全量程一半的輸入來(lái)補償（即，若輸入電壓范圍是5V，則補償范圍是