單片機測控技術(shù)在平板導熱系數儀研制中的應用

摘 要：就單片機測控技術(shù)應用于平板導熱系數儀的研制提出了應用方法，介紹了串行A/D轉換器TLC2543與單片機的硬件連接，熱電偶信號的冷端補償方法以及高精度運算放大器ICL7650的應用，對數字PID算法提出了新的應用方式。

關(guān)鍵詞：平板導熱系數;TLC2543;ICL7650;數字PID

0 引言

　　平板導熱系數儀是根據GB 10294～10295-88《絕熱材料穩態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法和熱流計法》研制的?；谌缦略恚涸诜€定條件下，防護熱板裝置的中心計量區域內，在具有平行表面的均勻板狀試件中，建立類(lèi)似于以?xún)蓚€(gè)平行勻溫平板為界的無(wú)限大平板中存在一維恒定熱流，通過(guò)測定穩定狀態(tài)下流過(guò)計量單元的一維恒定熱力量Q、計量單元的面積A、試件冷、熱表面的溫度差△T，可計算出試件的熱阻R或導熱系數λ。

　　熱阻計算公式：R=A（T1-T2）/Q

　　其中： A――計量面積，m2

　　T1、T2――試件熱面、冷面的溫度平均值，K

　　Q――加熱單元計量部分的平均熱流量，W

　　導熱系數計算公式： λ=Qd/[A（T1-T2）]

　　其中： d――試件平均厚度，m

　　我們采用了如圖1所示結構制作裝置：

　　其中：A-冷卻單元

　　B-試件

　　C-熱計量單元，（主加熱單元）

　　D-防護單元

　　E-背防護單元

　　當主加熱器的熱量不能沿護加熱環(huán)板方向傳入和傳出時(shí)，主加熱器的熱量只能沿試件方向導出。隨加熱時(shí)間不斷延長(cháng)，熱面溫度t1和冷面溫度t2不再隨時(shí)間發(fā)生變化，這時(shí)主加熱器的熱量只能沿試件方導出，這種情況下為穩定導熱。此時(shí)根據上述公式計算出試件的熱阻或導熱系數。

1 測控系統的組成

　　本控制系統由以下幾部分組成：

　　1.1 直流穩壓電源：用于向主加熱單元提供加熱電壓，由操作者手動(dòng)控制，設有粗調和細調兩種調節旋鈕。

　　1.2 防護加熱單元：用于對防護單元的加熱，由交流電源經(jīng)可控硅整流向防護單元加熱，可控硅的導通角由單片機控制，使護加熱單元溫度跟蹤主加熱單元的溫度。實(shí)現主加熱單元熱量的一維傳遞。也可由人工進(jìn)行手動(dòng)跟蹤。

　　1.3 單片機測控系統：應用MCS-51系列單片機，實(shí)現對多路溫度的采集與顯示，主加熱單元功率的測量顯示，護加熱單元溫度的跟蹤以及人機界面的交互。

2 單片機測控系統

　　單片機測控系統框圖如圖2所示，共分為以下幾部分：

　　2.1 多路數據檢測：

　　本儀器共有8路熱電偶、一路電壓信號、一路電流信號的數據檢測。應用串行AD轉換器TLC2543進(jìn)行轉換，TLC2543是美國TI公司生產(chǎn)的12 位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近數模轉換器，具有11路模擬輸入，內建采樣保持器和片內時(shí)鐘系統，最大轉換時(shí)間10us,它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的3線(xiàn) SPI串行接口可方便地與AT89C51進(jìn)行連接，是12位數據采集系統的最佳選擇器件之一。圖2所示即為一種簡(jiǎn)單可靠的應用，單片機的P1.0、 P1.1、P1.2、P1.3分別與TLC2543的I/O時(shí)鐘、數據輸入、數據輸出、片選信號相連，編程時(shí)按照參考資料[1]中所示時(shí)序，在I/O電平作用下依次進(jìn)行數據的輸入和讀出即可。有關(guān)TLC2543的操作介紹有很多資料，讀者可參考有關(guān)書(shū)籍。

　　本應用中，為了降低電路成本以及電路的漂移帶來(lái)的誤差，我們減少了下面所述的熱電偶調理電路，對于8路熱電偶信號沒(méi)有進(jìn)行單獨的信號調理，而統一使用一個(gè)電路，為此，應用模擬開(kāi)關(guān)我們構建了多路切換器，信號輸出占用TLC2543的其中一路，另外再用2路作為主加熱單元的電壓及電流采集。

　　TLC2543的輸入電壓是0-5V，調理電路只需將弱信號放大到這個(gè)范圍，若選用其他量程的AD轉換器，例如AD1674的輸入電壓范圍是 0-10V或是0-20V，就相應的增加了調理電路放大倍數，工作起來(lái)很容易引起振蕩。這也是我們選用此款AD轉換器的理由之一。

　　2.2 護加熱板溫度自動(dòng)控制:

　　為實(shí)現主加熱板的熱量實(shí)現一維傳遞，特設計了一套護加熱板，在實(shí)際運行中要求護加熱板的溫度始終跟隨主加熱板溫度。我們采取用交流電源加熱的方式，進(jìn)行手自動(dòng)的跟隨。

　　手動(dòng)調節時(shí)用電位器在5V直流電壓下的分壓，控制可控硅模塊的導通角，但同時(shí)該手動(dòng)信號的電壓值占用一路TLC2543的輸入，單片機隨時(shí)采集此信號，并將其轉換成與下面所述的數字PID計算出的相應Ui信號，存儲到相應單元，實(shí)現手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。

　　自動(dòng)調節時(shí)應用單片機制作一套數字PID控制系統，該系統的溫度給定來(lái)源于主加熱板的實(shí)際溫度。PID運算后的數據經(jīng)D/A轉換器轉換后通過(guò)可控硅模塊控制可控硅的導通角，來(lái)實(shí)現數字調節。

　　數字PID增量式算法的公式如下：

　　其中： Ui―― 本次計算輸出

　　Ui-1――上一次計算輸出

　　ei――本次計算的偏差值

　　ei-1――上一次計算的偏差值

　　ei-2――上兩次計算的偏差值

　　T―― 采樣周期，S

　　I―― 積分時(shí)間，S

　　D―― 微分時(shí)間，S

　　P―― 比例調節的比例帶。

　　這里要特別說(shuō)明的是：我們采用的P值與一般教科書(shū)上所講的略有區別，一般教科書(shū)上把P稱(chēng)為比例系數，我們這里借鑒了過(guò)去DDZ-Ⅱ型儀表控制下的“比例帶”概念，用 這個(gè)數據來(lái)代替比例系數，這樣有如下兩點(diǎn)好處：首先，在人機接口的輸入下，只需輸入兩位整數，就能得到很精確的小數表示的比例系數;其次，對于曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)儀表控制的操作人員來(lái)講，輸入數據更直觀(guān)。

　　2.3 熱電偶信號調理（圖3）：

　　本系統應用K型熱電偶，導熱系數測定過(guò)程中通常溫度范圍小于100℃，為保證測量精度，熱電偶線(xiàn)性化軟件我們每隔5℃分一段，并且精確到小數點(diǎn)后兩位。硬件調理電路截取K型熱電偶100℃的熱電勢4.095mv作為輸入滿(mǎn)量程，放大到5V，提供給AD轉換器，要求調理電路放大倍數達1200多倍，為此我們選取高精度斬波自穩零運算放大器ICL7650，構成兩級運算放大器，每級放大倍數小于40倍，在放大器反饋回路并聯(lián)一幾百皮法的電容，可有效防止電路的振蕩，又不會(huì )影響電路的工作狀態(tài)。ICL7650除了具有普通運算放大器的特點(diǎn)和應用范圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調小和漂移低等特點(diǎn)，利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS器件固有的失調和漂移，所以常被應用于熱電偶、電阻應變電橋、電荷傳感器等測量微弱信號的電路中。應用中圖3所示的C3、 C4兩個(gè)電容即在動(dòng)態(tài)校零中起關(guān)鍵作用，要選擇穩定性能較好的CBB電容。

　　熱電偶冷端補償采用溫度器件AD590，其內部采用激光修刻技術(shù)制作，使得環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，輸出電流精確變化1uA，此電流流經(jīng)固定電阻（阻值取決于熱電偶的塞貝克系數），產(chǎn)生壓降，將此電動(dòng)勢加到熱電偶輸入端，實(shí)現冷端補償。因為AD590使用K氏溫度標定，故在本應用中前級放大電路采用差動(dòng)放大的形式。校正時(shí)只需將熱電偶輸入端短路，將AD590置于冰水混合物中，調整基準電壓，使得放大電路的輸出為零，以后隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化自動(dòng)補償。在精度要求不高的場(chǎng)合，可用溫度計測出溫度，然后計算出流經(jīng)R0的電壓，再調整基準電壓使二者相等亦可。

　　人機接口：本裝置我們采用了4×4鍵盤(pán)作為輸入，北京拓普公司生產(chǎn)的5吋單色液晶顯示器作為輸出。所有工況數據均顯示在一個(gè)屏幕上，操作采用漢字提示，參數修訂直觀(guān)。操作者不需進(jìn)行任何開(kāi)關(guān)的切換便能對整個(gè)工況一目了然，系統達到穩態(tài)時(shí)只需按下一個(gè)按鈕，單片機便能將所測定的材料的導熱系數、加熱系統的電功率計算并顯示出來(lái)。

3 結束語(yǔ)

　　綜上所述可看出，將日臻成熟的單片機測控技術(shù)應用于其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，對產(chǎn)業(yè)的促進(jìn)會(huì )起到巨大的推動(dòng)作用，經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，單片機技術(shù)已日臻完善，編程語(yǔ)言多樣化，新穎器件不斷出現，用微處理器改革單一的數字儀表，形成智能化已成大勢所趨。本應用里只需在單片機系統中增加一片通訊器件，對軟件略做增加，就能實(shí)現和計算機的數據通訊，利用計算機強大的數據計算及數據管理能力進(jìn)行待測試件的數據分析與統計。

參考文獻：

　　[1] 楊振江等.智能儀器與數據采集系統中的新器件及應用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社;2001.

　　[2] 丁元杰.單片微機原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社

　　[3] 吳祖國.ICL7650斬波穩零運算放大器的原理及應用　[J].國外電子元器件，2003，4:41-42.