單片機在絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測定系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

溫度、功率測控系統(tǒng)的特點是要測量和控制多路溫度信號，判斷到達(dá)設(shè)定的狀態(tài)后再進行計算。常見的設(shè)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)過模擬放大和濾波，進入高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），再經(jīng)過單片機的判斷、計算

MSC1212的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。MSC1212工作電壓2.7 V～5.25V，微控制器核是經(jīng)過優(yōu)化的8051內(nèi)核，在給定時鐘源的情況下，它的執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051內(nèi)核快三倍，從而使得器件可以在更低的外部時鐘頻率下工作，在功耗比標(biāo)準(zhǔn)的8051低的情況下，仍可達(dá)到相同的性能。同時，其片內(nèi)外設(shè)十分豐富，包括32位累加器、1個帶有FIFO的SPI串口、2個全雙工的UART、32個數(shù)字輸入輸出端、看門狗定時器、低電壓檢測、片內(nèi)上電復(fù)位、16位PWM、3個定時器/計數(shù)器、21個中斷源。

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(fù)位期間通過ALE和PSEN信號的狀態(tài)來選擇。PSEN=0，ALE=1時是串行編程模式。PSEN=1，ALE=0時為并行編程模式。假如兩者都為1，則工作在用戶模式。兩者都為0是保留模式，沒有定義。MSC1212是帶ISP開發(fā)功能的單片機系統(tǒng)，與8051的指令集完全兼容，可以用已有的8051開發(fā)工具來開發(fā)MSC1212的軟件。主要的開發(fā)環(huán)境是匯編語言和C語言。

2 MSC1212模擬接口介紹

MSC1212的內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)測定儀中擔(dān)當(dāng)了重要角色，有必要先加以詳細(xì)介紹。

2.1 ADC結(jié)構(gòu)介紹

MSC1212的ADC是Δ-Σ型，由多路開關(guān)（MUX）、溫度檢測器、緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、調(diào)制器、數(shù)字濾波器、電壓參考組成，有8個通道，10Hz數(shù)據(jù)輸出率時有效分辨率可達(dá)24位。

一般ADC都定義成對的輸入端，不可隨意改變，而 MSC1212的ADC輸入端可以由用戶通過設(shè)置ADMUX寄存器來定義，可以把8個通道的任何2個分別作為同相端和反相端，這種軟件設(shè)置使應(yīng)用變得十分靈活，某個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(dāng)ADMUX所有位置1時，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個通道。

緩沖器使能與否通過寄存器ADCON0（BUF位置1使能）控制，當(dāng)緩沖器使能時輸入阻抗是10GΩ，輸入電壓范圍變小，電流升高，沒有緩沖器時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AVDD-1.5V。 通過改變寄存器ADCON0的低三位，可編程增益放大器（PGA）的增益可被設(shè)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(dāng)PGA為1且采用5V量程時，ADC能分辨到1uV。PGA為128且采用40mV量程時，分辨到75nV。通過設(shè)置寄存器ODAC，PGA的模擬輸入可以通過高達(dá)其全量程一半的輸入來補償（即，若輸入電壓范圍是5V，則補償范圍是