單片機測控技術在平板導熱係數儀研製中的應用

2020-11-24 電子產品世界

摘 要：就單片機測控技術應用於平板導熱係數儀的研製提出了應用方法，介紹了串行A/D轉換器TLC2543與單片機的硬體連接，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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/87485.htm

關鍵詞：平板導熱係數;TLC2543;ICL7650;數字PID

0 引言

　　平板導熱係數儀是根據GB 10294～10295-88《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法和熱流計法》研製的。基於如下原理：在穩定條件下，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，建立類似於以兩個平行勻溫平板為界的無限大平板中存在一維恆定熱流，通過測定穩定狀態下流過計量單元的一維恆定熱力量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或導熱係數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、冷麵的溫度平均值，K

　　Q――加熱單元計量部分的平均熱流量，W

　　導熱係數計算公式： λ=Qd/[A（T1-T2）]

　　其中： d――試件平均厚度，m

　　我們採用了如圖1所示結構製作裝置：

　　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板方向傳入和傳出時，主加熱器的熱量只能沿試件方向導出。隨加熱時間不斷延長，熱面溫度t1和冷麵溫度t2不再隨時間發生變化，這時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。此時根據上述公式計算出試件的熱阻或導熱係數。

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：用於向主加熱單元提供加熱電壓，由操作者手動控制，設有粗調和細調兩種調節旋鈕。

　　1.2 防護加熱單元：用於對防護單元的加熱，由交流電源經可控矽整流向防護單元加熱，可控矽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。實現主加熱單元熱量的一維傳遞。也可由人工進行手動跟蹤。

　　1.3 單片機測控系統：應用MCS-51系列單片機，實現對多路溫度的採集與顯示，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進行轉換，TLC2543是美國TI公司生產的12 位開關電容型逐次逼近數模轉換器，具有11路模擬輸入，內建採樣保持器和片內時鐘系統，最大轉換時間10us,它具有三個控制輸入端，採用簡單的3線 SPI串行接口可方便地與AT89C51進行連接，是12位數據採集系統的最佳選擇器件之一。圖2所示即為一種簡單可靠的應用，單片機的P1.0、 P1.1、P1.2、P1.3分別與TLC2543的I/O時鐘、數據輸入、數據輸出、片選信號相連，編程時按照參考資料[1]中所示時序，在I/O電平作用下依次進行數據的輸入和讀出即可。有關TLC2543的操作介紹有很多資料，讀者可參考有關書籍。

　　本應用中，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理電路，對於8路熱電偶信號沒有進行單獨的信號調理，而統一使用一個電路，為此，應用模擬開關我們構建了多路切換器，信號輸出佔用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採集。

　　TLC2543的輸入電壓是0-5V，調理電路只需將弱信號放大到這個範圍，若選用其他量程的AD轉換器，例如AD1674的輸入電壓範圍是 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 護加熱板溫度自動控制:

　　為實現主加熱板的熱量實現一維傳遞，特設計了一套護加熱板，在實際運行中要求護加熱板的溫度始終跟隨主加熱板溫度。我們採取用交流電源加熱的方式，進行手自動的跟隨。

　　手動調節時用電位器在5V直流電壓下的分壓，控制可控矽模塊的導通角，但同時該手動信號的電壓值佔用一路TLC2543的輸入，單片機隨時採集此信號，並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，實現手動到自動的無擾動切換。

　　自動調節時應用單片機製作一套數字PID控制系統，該系統的溫度給定來源於主加熱板的實際溫度。PID運算後的數據經D/A轉換器轉換後通過可控矽模塊控制可控矽的導通角，來實現數字調節。

　　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―― 採樣周期，S

　　I―― 積分時間，S

　　D―― 微分時間，S

　　P―― 比例調節的比例帶。

　　這裡要特別說明的是：我們採用的P值與一般教科書上所講的略有區別，一般教科書上把P稱為比例係數，我們這裡借鑑了過去DDZ-Ⅱ型儀表控制下的「比例帶」概念，用 這個數據來代替比例係數，這樣有如下兩點好處：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係數;其次，對於曾經經歷過儀表控制的操作人員來講，輸入數據更直觀。

　　2.3 熱電偶信號調理（圖3）：


　　本系統應用K型熱電偶，導熱係數測定過程中通常溫度範圍小於100℃，為保證測量精度，熱電偶線性化軟體我們每隔5℃分一段，並且精確到小數點後兩位。硬體調理電路截取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，每級放大倍數小於40倍，在放大器反饋迴路並聯一幾百皮法的電容，可有效防止電路的振蕩，又不會影響電路的工作狀態。ICL7650除了具有普通運算放大器的特點和應用範圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調小和漂移低等特點，利用動態校零技術消除了CMOS器件固有的失調和漂移，所以常被應用於熱電偶、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、 C4兩個電容即在動態校零中起關鍵作用，要選擇穩定性能較好的CBB電容。

　　熱電偶冷端補償採用溫度器件AD590，其內部採用雷射修刻技術製作，使得環境溫度每變化1℃時，輸出電流精確變化1uA，此電流流經固定電阻（阻值取決於熱電偶的塞貝克係數），產生壓降，將此電動勢加到熱電偶輸入端，實現冷端補償。因為AD590使用K氏溫度標定，故在本應用中前級放大電路採用差動放大的形式。校正時只需將熱電偶輸入端短路，將AD590置於冰水混合物中，調整基準電壓，使得放大電路的輸出為零，以後隨著環境溫度的變化自動補償。在精度要求不高的場合，可用溫度計測出溫度，然後計算出流經R0的電壓，再調整基準電壓使二者相等亦可。

　　人機接口：本裝置我們採用了4×4鍵盤作為輸入，北京拓普公司生產的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屏幕上，操作採用漢字提示，參數修訂直觀。操作者不需進行任何開關的切換便能對整個工況一目了然，系統達到穩態時只需按下一個按鈕，單片機便能將所測定的材料的導熱係數、加熱系統的電功率計算並顯示出來。

3 結束語

　　綜上所述可看出，將日臻成熟的單片機測控技術應用於其他產業領域，對產業的促進會起到巨大的推動作用，經過近二十年的發展，單片機技術已日臻完善，程式語言多樣化，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。本應用裡只需在單片機系統中增加一片通訊器件，對軟體略做增加，就能實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.智能儀器與數據採集系統中的新器件及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社;2001.

　　[2] 丁元傑.單片微機原理及應用[M].北京：機械工業出版社

　　[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.

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