李玉婷

摘 要：非晶態(tài)合金的結(jié)晶過(guò)程中電阻率變化明顯，這個(gè)特性是晶核組織結(jié)構(gòu)的敏感性能指標(biāo)。運(yùn)用非線性系統(tǒng)辨識(shí)方式，創(chuàng)建能夠反映非晶態(tài)合金在結(jié)晶過(guò)程當(dāng)中金屬材料電阻率的時(shí)間序列模型，從而分析并預(yù)先判斷出非晶態(tài)合金在結(jié)晶過(guò)程中表現(xiàn)出的各種特征及相應(yīng)參數(shù)變化，然后靈活、方便的控制結(jié)晶過(guò)程的溫度，在一定程度上就可以控制非晶材料的組織特征。

關(guān)鍵詞：結(jié)晶過(guò)程 四探針?lè)?電阻率 PID控制算法

非晶合金從液態(tài)金屬（或氣體狀態(tài)）快速冷卻，由于沒(méi)有時(shí)間在室溫或低溫結(jié)晶和保持液體的原子無(wú)序的凝聚狀態(tài)，它的制作工藝簡(jiǎn)單，節(jié)能效果顯著，具有優(yōu)異的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，是一種新型的綠色工程材料。研究非晶合金的晶化過(guò)程，可以鑒定金屬玻璃形成非晶體結(jié)構(gòu)的能力，還可以作為制作內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)可以控制的金屬材料一種重要依據(jù)，所以對(duì)晶化過(guò)程的研究對(duì)新型材料的研制和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

非晶態(tài)合金在晶化過(guò)程當(dāng)中電阻率變化顯明，是以能夠通過(guò)測(cè)量金屬材料在不同溫度下呈現(xiàn)出電阻率大小這種關(guān)系曲線來(lái)研究金屬玻璃的結(jié)晶過(guò)程。通過(guò)溫度測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量出樣品材料在什么溫度下能夠出現(xiàn)快速晶化，在這個(gè)溫度下，測(cè)試樣本的電阻率迅速下降。設(shè)計(jì)非晶態(tài)合金晶化過(guò)程時(shí)電阻率及溫度關(guān)系測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能發(fā)出指令并監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)變化的計(jì)算機(jī)即HMI（上位機(jī)）和能夠接收、傳達(dá)信號(hào)并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換下屬設(shè)備中相關(guān)信號(hào)反饋給上位機(jī)的下位機(jī)兩大部分。

上位機(jī)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，可以實(shí)時(shí)的采集下位設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，從而不斷更新數(shù)據(jù)顯示、歸檔、邏輯分析判斷作出界面中的指示燈等圖形元件的變色處理或播放報(bào)警語(yǔ)言，并將控制數(shù)據(jù)下發(fā)至下位機(jī)中。下位機(jī)為MSP430單片機(jī)，該單片機(jī)承擔(dān)著爐溫控制及溫度采集任務(wù)和晶化設(shè)備中樣本材料電阻率測(cè)量任務(wù)，分別完成精確控制晶化設(shè)備中溫度和建立恒流源實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓測(cè)量并在同一時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換測(cè)量量程以及數(shù)據(jù)的操作和控制。把非晶態(tài)合金樣本放在晶化設(shè)備里，通入高精度交流穩(wěn)流電源，在材料上形成電位差，通過(guò)直流放大器放大電位差，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換單元與標(biāo)準(zhǔn)電阻的電位差進(jìn)行對(duì)比，以此獲得高精度交流穩(wěn)流電源的電流大小，并將該電流值轉(zhuǎn)換成兩路數(shù)字量輸出給單片機(jī)；通過(guò)溫度檢測(cè)單元檢測(cè)的結(jié)晶溫度和由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到單片機(jī)，而后單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入的參數(shù)以及其他控制要求信號(hào)給加熱電路發(fā)送相應(yīng)控制信號(hào)以調(diào)節(jié)晶化箱的溫度。最后，單片機(jī)計(jì)算晶化材料電阻率，在LCD上顯示結(jié)果，并將測(cè)試出的電阻率以及該電阻率對(duì)應(yīng)的溫度傳送給上位機(jī)。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

把電阻率測(cè)試系統(tǒng)和溫度測(cè)控系統(tǒng)綜合起來(lái)分析，能夠看出系統(tǒng)對(duì)測(cè)試電路并沒(méi)有過(guò)高要求，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能較少，測(cè)量頻率也較低，而且系統(tǒng)中使用的所有芯片都采用串口通訊，對(duì)通訊端口的數(shù)量也要求不多。只是為保證該系統(tǒng)的易操作性，系統(tǒng)需要能夠提供強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，操作者可以將操作意圖通過(guò)鍵盤或其他設(shè)備傳遞給計(jì)算機(jī)，并且能夠看見(jiàn)操作過(guò)程及反應(yīng)結(jié)果，綜上所述，用普通的51單片機(jī)加上外接的液晶顯示器就能實(shí)現(xiàn)。但考慮到51單片機(jī)輸入、輸出端口較少及需要外擴(kuò)液晶顯示器控制芯片，本系統(tǒng)選擇集成度較高的、輸入輸出端口較多的且自帶液晶顯示單元的MSP430型單片機(jī)作為核心控制器件。該單片機(jī)可以在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能，設(shè)計(jì)方便、節(jié)能效果好。MSP430單片機(jī)處理數(shù)據(jù)以16個(gè)字節(jié)為一個(gè)單位，比8位的51單片機(jī)響應(yīng)速度高。而且有些型號(hào)的MSP430單片機(jī)擁有2千字節(jié)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和超過(guò)3兆字節(jié)的只讀存儲(chǔ)器，能夠達(dá)到移植小型操作系統(tǒng)所需配置。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

把電阻率測(cè)試系統(tǒng)和溫度測(cè)控系統(tǒng)綜合起來(lái)分析，能夠看出系統(tǒng)中存在很多小任務(wù)，而且這些任務(wù)之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)，并且大多任務(wù)都要求能夠?qū)崟r(shí)控制。如果單獨(dú)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，面臨著難度太大、無(wú)法實(shí)時(shí)更新與維護(hù)等諸多難題，所以本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)借助嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ智能操作系統(tǒng)功能來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用層任務(wù)等級(jí)，解決任務(wù)交互控制問(wèn)題。這樣一來(lái)，就可以解決掉單獨(dú)設(shè)計(jì)軟件引發(fā)的難度太大、無(wú)法實(shí)時(shí)更新與維護(hù)等諸多難題，還能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性控制，縮短整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮娟，劉俊成.非晶合金的制備方法[J].鑄造技術(shù)，2009，30。

[2] 西安交通大學(xué)理學(xué)院.四探針?lè)y(cè)量高導(dǎo)電率材料的電導(dǎo)率[R].西安交通大學(xué)理學(xué)院.

[3] 樊貴卿，袁延忠，呂朝龍等.材料電阻率的自動(dòng)化測(cè)量研究[J].河南師范大學(xué)學(xué)