摘 要:量熱儀是能源生產(chǎn)和能耗企業(yè)必備的重要測量儀器，其測量精度直接影響著經(jīng)濟效益。為提高量熱儀的測量精度，并實現(xiàn)量熱儀的網(wǎng)絡(luò)通信功能，設(shè)計一種基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀，給出以石英溫度傳感器HTS-206為核心的溫度測量電路。利用CS8900A實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信功能，確定了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，給出了系統(tǒng)的軟件流程圖。結(jié)果表明，該設(shè)計能夠達到GB(T)213-2003標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)量熱儀的高精度測量。

關(guān)鍵詞:量熱儀; S3C2410; 石英溫度傳感器; HTS-206

中圖分類號:TN919; TP216.1文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0203-03

Design of Isothermal Automatic Calorimeter Based on S3C2410

JIANG Wei， ZHAO Shu-jun，XU Hang， DUAN Zhi-feng

(Physical Engineering Department， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China)

Abstract: The calorimeter is an indispensable measurement instrument for energy production and energy consumption enterprises， and its precision of measurement directly influence on economic efficiency. An isothermal automatic calorimeter is designed based on S3C2410 in order to improve the measurement precision and realize the network communication of the calorimeter. A temperature measurement circuit of using quartz temperature sensor HTS-206 is given. The network communication is realized by making use of CS8900A， the overall structure of the system is determined， the flow chart of software is proposed. The experimental results prove that the deign can reach GB(T)213- 2003 standard and high-accuracy survey of the calorimeter can be achieved.

Keywords: calorimeter; S3C2410; quartz temperature sensor; HTS-206

0 引 言

量熱儀是能測定固、液態(tài)物質(zhì)，如煤炭、火藥、粘度油、食品、飼料等可燃物質(zhì)熱值的儀器。傳統(tǒng)的量熱儀受客觀因素影響較大，本文設(shè)計自動量熱儀可減少客觀因素的影響，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸與實時處理，并使量熱儀具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并實現(xiàn)對量熱儀的遠程控制。

近年來隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟，其成本也不斷下降，本身所具有的規(guī)?？勺儭U展靈活、有較高的實時性和穩(wěn)定性、系統(tǒng)內(nèi)核小的優(yōu)點逐漸凸現(xiàn)出來。

1 基本原理

恒溫式量熱儀通過氧彈法測量熱值。通過放在氧彈中的物質(zhì)燃燒并使燃燒放出的熱量通過彈筒傳遞給水及儀器系統(tǒng)，再根據(jù)水溫的變化計算出物質(zhì)的發(fā)熱量。其測量的基本框圖如圖1所示。

根據(jù)氧彈法測量的基本原理，發(fā)熱量計算公式如下[1]:

Qb.ad=[E(Tc-Tb+C)-(q1+q2)]m

式中:E為熱容量，單位:J/K;q1為點火熱，單位:J;

q2為添加物如包紙等產(chǎn)生的總熱量，單位:J;m為試樣質(zhì)量，單位:g;

Tc為主期結(jié)束時溫度，單位:℃;Tb為主期開始時溫度，單位:℃;C為冷卻校正值，單位:℃。

圖1 實驗基本原理框圖

由上式可知，只要測量出水的溫度以及相關(guān)參數(shù)，就可以計算出煤樣的發(fā)熱量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

S3C2410與量熱儀各個部分的連接框圖如圖2所示，在硬件連接之后，需要對各個部分與S3C2410的端口進行軟件驅(qū)動。

2.1.1 ARM板選擇

本次設(shè)計選擇市場上使用較多，同時在結(jié)構(gòu)和資源上較為典型的S3C2410處理器，主要是基于以下原因:

(1) 性價比高，使用的最廣泛。作為一款經(jīng)典的ARM9系列處理器，S3C2410的資料最完整，各種驅(qū)動程序的開發(fā)包最多，利于開發(fā)者開發(fā)。

(2) 采用核心板和底板分離的設(shè)計思想，用戶可以方便地使用Core-Board進行二次開發(fā)。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1.2 傳感器的選擇

現(xiàn)在的量熱儀大多采用鉑電阻作為測溫元件，它雖然具有精度高等優(yōu)點，但鉑電阻在0~800 ℃范圍內(nèi)、無校正的情況下，最大非線性誤差可達2%，而且它們屬于模擬式傳感器，輸出信號需要進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這不僅使電路復(fù)雜，成本增加，而且增大了誤差。改進的方式是用石英晶體來代替鉑電阻作為測溫元件。根據(jù)不同頻率和切型，石英晶體溫度傳感器的溫度靈敏度可以在20~2 850 Hz/℃范圍內(nèi)變動[2]，使溫度分辨率達0.000 1 ℃，而且溫漂、時漂極小。

石英晶體溫度傳感器HTS-206就是其中的一種，它由日本EPSON公司生產(chǎn)，其振蕩頻率在40 kHz附近，工作溫度范圍為-55~+125 ℃，其測量精度利用多點差值法校正后可達0.05 ℃[3]石英晶體諧振器HTS-206的調(diào)理電路包括振蕩電路、分頻器、計數(shù)器三個主要部分構(gòu)成，其調(diào)理電路如圖3所示[4]。

圖3 HTS-206調(diào)理電路

以往測量頻率的方法是在芯片外接FPGA芯片，不過HTS-206的工作頻率為40 kHz左右，符合S3C2410的工作性能，為了節(jié)約成本，可以利用中斷模式對頻率信號進行測量。HTS-206的輸出經(jīng)過整流放大后，通過S3C2410的EINT0端口，用FIQ中斷模式。利用軟件設(shè)定中斷的閘門時間為Tw，并且記錄被測信號的變化周期數(shù)(或脈沖個數(shù))N，則被測信號的頻率為:

fx=N/Tw

2.1.3 控制部分

控制部分由充氧控制、充放水控制、水位控制、點火控制、升降電機控制等幾部分組成[5]:

充氧電路，主要完成氧彈的沖放氣的控制。當(dāng)實驗開始時，發(fā)送信號，打開閥門。氧彈充氣到一定壓力的時候，向S3C2410發(fā)出信號。S3C2410接收到信號就控制閥門關(guān)閉。

充放水及水位控制系統(tǒng)，主要完成內(nèi)外筒進水、排水、定位任務(wù)。分別通過兩個探測器測定內(nèi)外筒的水位，利用程序進行水位比較，從而達到定內(nèi)外筒水定量的目的。

點火系統(tǒng)控制氧彈中的點火裝置，具體控制要求為:點火絲點火在自檢之后進行，如一切正常，則點火。如果點火成功，則向S3C2410發(fā)送信號，啟動測溫系統(tǒng)。如果點火失敗，則退出本次試驗。

2.1.4 S3C2410的網(wǎng)絡(luò)通信

如圖4所示，S3C2410使用CS8900A-Q3控制器擴展網(wǎng)絡(luò)接口模塊。它的傳輸速率為10 Mb/s。CS8900工作在16位模式下，網(wǎng)卡芯片復(fù)位默認(rèn)工作方式為I/O連接。由于CS8900A和S3C2410的中斷電平是相反的，所以，中斷信號線間需接一個非門[6]。信號的發(fā)送和接收端通過RJ45接口接人CS8900A，再傳送給S3C2410，從而組成了以太網(wǎng)信號傳輸?shù)挠布ǖ馈?/p>

圖4 S3C2410的網(wǎng)絡(luò)通信

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 開發(fā)環(huán)境的建立

在對S3C2419進行軟件開發(fā)之前，需要通過以下步驟，建立一個合適的開發(fā)環(huán)境[7]。

(1) 將UBOOT移植到S3C2410開發(fā)板。

(2) 利用H-JATG軟件讀取板子CPU的信息，將讀取到的信息利用ADS開發(fā)環(huán)境中的AXD Debugger軟件建立仿真開發(fā)環(huán)境。

(3) 仿真建立最小系統(tǒng)，對各個端口進行初始化，設(shè)置時鐘，電源等參數(shù)。仿真成功后，將初始化的文件利用ADS下載到主板上。

2.2.2 對系統(tǒng)的編程

如圖5所示，根據(jù)GB(T)213-2003的要求，設(shè)置充氧時間為18 s，充氧過程包括壓力測量，當(dāng)充氧壓力大于32 MPa時，顯示充氧壓力過大，并結(jié)束實驗。省略點火及控制部分，主要程序如下:

int get_show_data(int t，float temper){

定義采樣并顯示數(shù)據(jù)函數(shù)

f=S3C2410_port_read();采樣函數(shù)，讀取頻率

Temper=data_transform(f);將頻率轉(zhuǎn)化為溫度

if(Temper<0)

printf(″can not read the temperature″);

printf(″Time:%d，Temperature:%d″，t，Temper);

}

void main(void){

……

int t=0

fload Temper，a，b

do{

call delay(t);delay是t的函數(shù)，當(dāng)t<480 s時，延遲1 s;

當(dāng)t≥480 s時，延遲60 s，在延遲時同時改變t的值。

get_show_data(t，temper);

save_data();保存數(shù)據(jù)到NAND FLASH

a=Temper;

call delay(t);

get_show_data(t，temper);

save_data();

b=temper;

call dalay(t);

get_show_data(t，temper);

save_data();

while((a-b>0.0001)||(b-temper>0.0001));

.......

}

圖5 軟件流程圖

實驗開始時，每秒采樣一次。實驗8 min后，每1 min采樣一次。將前后三次采樣的數(shù)據(jù)進行比較，當(dāng)變化的溫度不超過0.001 K時，實驗結(jié)束。隨后進入數(shù)據(jù)處理部分。這部分包括數(shù)據(jù)的打印、存儲及數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸。限于篇幅這部分程序并未列出。

3 結(jié) 語

該設(shè)計嚴(yán)格按照GB(T)213-2003標(biāo)準(zhǔn)，并且不同于以往量熱儀使用單片機8位的數(shù)據(jù)傳輸模式，而是利用S3C2410芯片的32位數(shù)據(jù)傳輸模式[8]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度傳輸。同時使用晶體傳感器——測量的是頻率量，無需數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元，從而實現(xiàn)溫度的高精度測量。同時它有很高的穩(wěn)定性，能夠在復(fù)雜環(huán)境下正常工作，不僅能運用于煤炭生產(chǎn)行業(yè)，而且在電力、石油、化工、水泥、軍工、糧食、木材、木炭以及科研等行業(yè)都有很好的應(yīng)用前景[9]。

參考文獻

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