單片機(jī)測控技術(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)特性的測定防護(hù)熱板法和熱流計法》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，通過測定穩(wěn)定狀態(tài)下流過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?qū)嵯禂?shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)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(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，主加熱器的熱量只能沿試件方向?qū)С?。隨加熱時間不斷延長，熱面溫度t1和冷面溫度t2不再隨時間發(fā)生變化，這時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。此時根據(jù)上述公式計算出試件的熱阻或?qū)嵯禂?shù)。

1 測控系統(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。實現(xiàn)主加熱單元熱量的一維傳遞。也可由人工進(jìn)行手動跟蹤。

　　1.3 單片機(jī)測控系統(tǒng)：應(yīng)用MCS-51系列單片機(jī)，實現(xiàn)對多路溫度的采集與顯示，主加熱單元功率的測量顯示，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)測控系統(tǒng)

　　單片機(jī)測控系統(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：

　　本儀器共有8路熱電偶、一路電壓信號、一路電流信號的數(shù)據(jù)檢測。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)時鐘系統(tǒng)，最大轉(zhuǎn)換時間10us,它具有三個控制輸入端，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時鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、片選信號相連，編程時按照參考資料[1]中所示時序，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，對于8路熱電偶信號沒有進(jìn)行單獨(dú)的信號調(diào)理，而統(tǒng)一使用一個電路，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放大到這個范圍，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)加熱板溫度自動控制:

　　為實現(xiàn)主加熱板的熱量實現(xiàn)一維傳遞，特設(shè)計了一套護(hù)加熱板，在實際運(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)行手自動的跟隨。

　　手動調(diào)節(jié)時用電位器在5V直流電壓下的分壓，控制可控硅模塊的導(dǎo)通角，但同時該手動信號的電壓值占用一路TLC2543的輸入，單片機(jī)隨時采集此信號，并將其轉(zhuǎn)換成與下面所述的數(shù)字PID計算出的相應(yīng)Ui信號，存儲到相應(yīng)單元，實現(xiàn)手動到自動的無擾動切換。

　　自動調(diào)節(jié)時應(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―― 積分時間，S

　　D―― 微分時間，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 熱電偶信號調(diào)理（圖3）：

　　本系統(tǒng)應(yīng)用K型熱電偶，導(dǎo)熱系數(shù)測定過程中通常溫度范圍小于100℃，為保證測量精度，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)成兩級運(yùn)算放大器，每級放大倍數(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、電荷傳感器等測量微弱信號的電路中。應(yīng)用中圖3所示的C3、 C4兩個電容即在動態(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，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，將此電動勢加到熱電偶輸入端，實現(xiàn)冷端補(bǔ)償。因為AD590使用K氏溫度標(biāo)定，故在本應(yīng)用中前級放大電路采用差動放大的形式。校正時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)境溫度的變化自動補(bǔ)償。在精度要求不高的場合，可用溫度計測出溫度，然后計算出流經(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)的切換便能對整個工況一目了然，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時只需按下一個按鈕，單片機(jī)便能將所測定的材料的導(dǎo)熱系數(shù)、加熱系統(tǒng)的電功率計算并顯示出來。

3 結(jié)束語

　　綜上所述可看出，將日臻成熟的單片機(jī)測控技術(shù)應(yīng)用于其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，對產(chǎn)業(yè)的促進(jìn)會起到巨大的推動作用，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，對軟件略做增加，就能實現(xiàn)和計算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計算及數(shù)據(jù)管理能力進(jìn)行待測試件的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 楊振江等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社;2001.

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　　[3] 吳祖國.ICL7650斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器的原理及應(yīng)用　[J].國外電子元器件，2003，4:41-42.