單片機(jī)測(cè)控技術(shù)在平板導(dǎo)熱系數(shù)儀研制中的應(yīng)用

摘 要：就單片機(jī)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用于平板導(dǎo)熱系數(shù)儀的研制提出了應(yīng)用方法，介紹了串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543與單片機(jī)的硬件連接，熱電偶信號(hào)的冷端補(bǔ)償方法以及高精度運(yùn)算放大器ICL7650的應(yīng)用，對(duì)數(shù)字PID算法提出了新的應(yīng)用方式。

關(guān)鍵詞：平板導(dǎo)熱系數(shù);TLC2543;ICL7650;數(shù)字PID

0 引言

　　平板導(dǎo)熱系數(shù)儀是根據(jù)GB 10294～10295-88《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法和熱流計(jì)法》研制的?；谌缦略恚涸诜€(wěn)定條件下，防護(hù)熱板裝置的中心計(jì)量區(qū)域內(nèi)，在具有平行表面的均勻板狀試件中，建立類似于以兩個(gè)平行勻溫平板為界的無限大平板中存在一維恒定熱流，通過測(cè)定穩(wěn)定狀態(tài)下流過計(jì)量單元的一維恒定熱力量Q、計(jì)量單元的面積A、試件冷、熱表面的溫度差△T，可計(jì)算出試件的熱阻R或?qū)嵯禂?shù)λ。

　　熱阻計(jì)算公式：R=A（T1-T2）/Q

　　其中： A――計(jì)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(jì)量部分的平均熱流量，W

　　導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)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(jié)構(gòu)制作裝置：

　　其中：A-冷卻單元

　　B-試件

　　C-熱計(jì)量單元，（主加熱單元）

　　D-防護(hù)單元

　　E-背防護(hù)單元

　　當(dāng)主加熱器的熱量不能沿護(hù)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?qū)С觥ｋS加熱時(shí)間不斷延長，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(dǎo)出，這種情況下為穩(wěn)定導(dǎo)熱。此時(shí)根據(jù)上述公式計(jì)算出試件的熱阻或?qū)嵯禂?shù)。

1 測(cè)控系統(tǒng)的組成

　　本控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：

　　1.1 直流穩(wěn)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(shè)有粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種調(diào)節(jié)旋鈕。

　　1.2 防護(hù)加熱單元：用于對(duì)防護(hù)單元的加熱，由交流電源經(jīng)可控硅整流向防護(hù)單元加熱，可控硅的導(dǎo)通角由單片機(jī)控制，使護(hù)加熱單元溫度跟蹤主加熱單元的溫度。實(shí)現(xiàn)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(jī)測(cè)控系統(tǒng)：應(yīng)用MCS-51系列單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路溫度的采集與顯示，主加熱單元功率的測(cè)量顯示，護(hù)加熱單元溫度的跟蹤以及人機(jī)界面的交互。

2 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

　　單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)框圖如圖2所示，共分為以下幾部分：

　　2.1 多路數(shù)據(jù)檢測(cè)：

　　本儀器共有8路熱電偶、一路電壓信號(hào)、一路電流信號(hào)的數(shù)據(jù)檢測(cè)。應(yīng)用串行AD轉(zhuǎn)換器TLC2543進(jìn)行轉(zhuǎn)換，TLC2543是美國TI公司生產(chǎn)的12 位開關(guān)電容型逐次逼近數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有11路模擬輸入，內(nèi)建采樣保持器和片內(nèi)時(shí)鐘系統(tǒng)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間10us,它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡單的3線 SPI串行接口可方便地與AT89C51進(jìn)行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。圖2所示即為一種簡單可靠的應(yīng)用，單片機(jī)的P1.0、 P1.1、P1.2、P1.3分別與TLC2543的I/O時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、片選信號(hào)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(shù)據(jù)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)書籍。

　　本應(yīng)用中，為了降低電路成本以及電路的漂移帶來的誤差，我們減少了下面所述的熱電偶調(diào)理電路，對(duì)于8路熱電偶信號(hào)沒有進(jìn)行單獨(dú)的信號(hào)調(diào)理，而統(tǒng)一使用一個(gè)電路，為此，應(yīng)用模擬開關(guān)我們構(gòu)建了多路切換器，信號(hào)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(diào)理電路只需將弱信號(hào)放大到這個(gè)范圍，若選用其他量程的AD轉(zhuǎn)換器，例如AD1674的輸入電壓范圍是 0-10V或是0-20V，就相應(yīng)的增加了調(diào)理電路放大倍數(shù)，工作起來很容易引起振蕩。這也是我們選用此款A(yù)D轉(zhuǎn)換器的理由之一。

　　2.2 護(hù)加熱板溫度自動(dòng)控制:

　　為實(shí)現(xiàn)主加熱板的熱量實(shí)現(xiàn)一維傳遞，特設(shè)計(jì)了一套護(hù)加熱板，在實(shí)際運(yùn)行中要求護(hù)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(diào)節(jié)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(dǎo)通角，但同時(shí)該手動(dòng)信號(hào)的電壓值占用一路TLC2543的輸入，單片機(jī)隨時(shí)采集此信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成與下面所述的數(shù)字PID計(jì)算出的相應(yīng)Ui信號(hào)，存儲(chǔ)到相應(yīng)單元，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。

　　自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)用單片機(jī)制作一套數(shù)字PID控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的溫度給定來源于主加熱板的實(shí)際溫度。PID運(yùn)算后的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后通過可控硅模塊控制可控硅的導(dǎo)通角，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)。

　　數(shù)字PID增量式算法的公式如下：

　　其中： Ui―― 本次計(jì)算輸出

　　Ui-1――上一次計(jì)算輸出

　　ei――本次計(jì)算的偏差值

　　ei-1――上一次計(jì)算的偏差值

　　ei-2――上兩次計(jì)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(diào)節(jié)的比例帶。

　　這里要特別說明的是：我們采用的P值與一般教科書上所講的略有區(qū)別，一般教科書上把P稱為比例系數(shù)，我們這里借鑒了過去DDZ-Ⅱ型儀表控制下的“比例帶”概念，用 這個(gè)數(shù)據(jù)來代替比例系數(shù)，這樣有如下兩點(diǎn)好處：首先，在人機(jī)接口的輸入下，只需輸入兩位整數(shù)，就能得到很精確的小數(shù)表示的比例系數(shù);其次，對(duì)于曾經(jīng)經(jīng)歷過儀表控制的操作人員來講，輸入數(shù)據(jù)更直觀。

　　2.3 熱電偶信號(hào)調(diào)理（圖3）：

　　本系統(tǒng)應(yīng)用K型熱電偶，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定過程中通常溫度范圍小于100℃，為保證測(cè)量精度，熱電偶線性化軟件我們每隔5℃分一段，并且精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。硬件調(diào)理電路截取K型熱電偶100℃的熱電勢(shì)4.095mv作為輸入滿量程，放大到5V，提供給AD轉(zhuǎn)換器，要求調(diào)理電路放大倍數(shù)達(dá)1200多倍，為此我們選取高精度斬波自穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650，構(gòu)成兩級(jí)運(yùn)算放大器，每級(jí)放大倍數(shù)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(yùn)算放大器的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)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(diào)和漂移，所以常被應(yīng)用于熱電偶、電阻應(yīng)變電橋、電荷傳感器等測(cè)量微弱信號(hào)的電路中。應(yīng)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(wěn)定性能較好的CBB電容。

　　熱電偶冷端補(bǔ)償采用溫度器件AD590，其內(nèi)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(shù)），產(chǎn)生壓降，將此電動(dòng)勢(shì)加到熱電偶輸入端，實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。因?yàn)锳D590使用K氏溫度標(biāo)定，故在本應(yīng)用中前級(jí)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(diào)整基準(zhǔn)電壓，使得放大電路的輸出為零，以后隨著環(huán)境溫度的變化自動(dòng)補(bǔ)償。在精度要求不高的場(chǎng)合，可用溫度計(jì)測(cè)出溫度，然后計(jì)算出流經(jīng)R0的電壓，再調(diào)整基準(zhǔn)電壓使二者相等亦可。

　　人機(jī)接口：本裝置我們采用了4×4鍵盤作為輸入，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(shù)據(jù)均顯示在一個(gè)屏幕上，操作采用漢字提示，參數(shù)修訂直觀。操作者不需進(jìn)行任何開關(guān)的切換便能對(duì)整個(gè)工況一目了然，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)只需按下一個(gè)按鈕，單片機(jī)便能將所測(cè)定的材料的導(dǎo)熱系數(shù)、加熱系統(tǒng)的電功率計(jì)算并顯示出來。

3 結(jié)束語

　　綜上所述可看出，將日臻成熟的單片機(jī)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用于其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)業(yè)的促進(jìn)會(huì)起到巨大的推動(dòng)作用，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已日臻完善，編程語言多樣化，新穎器件不斷出現(xiàn)，用微處理器改革單一的數(shù)字儀表，形成智能化已成大勢(shì)所趨。本應(yīng)用里只需在單片機(jī)系統(tǒng)中增加一片通訊器件，對(duì)軟件略做增加，就能實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算及數(shù)據(jù)管理能力進(jìn)行待測(cè)試件的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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