楊杰

（華北制藥集團先泰藥業(yè)有限公司，河北 石家莊 050100）

在日新月異的今天，計算機技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會的各行各業(yè)，為科研和生產(chǎn)的發(fā)展帶來了重大飛躍。其中單片機更是廣泛應(yīng)用到人們的工作、學(xué)習(xí)生活等各個領(lǐng)域，并成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展的重要工具。單片機朝著超小型、超低功耗、低成本發(fā)展，它們不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能價格比。由于單片機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用給我們提出了一個新的課題和發(fā)展方向，因此，我們同樣要學(xué)好、學(xué)精“硬件”應(yīng)用，所謂“軟硬兼?zhèn)洹?。這樣在今后的學(xué)習(xí)和工作中才能更加深入地了解電子技術(shù)的原理與綜合應(yīng)用，才能更好地從更高的層次應(yīng)用發(fā)展電子技術(shù)，才能為社會創(chuàng)造更大的財富。當(dāng)今社會需要越來越多的復(fù)合型人才，尤其是電子技術(shù)人才，不僅可以進(jìn)行信息檢測、開發(fā)軟件、編程序、設(shè)計電路版、進(jìn)行圖形設(shè)計處理，而且能深入了解單片微型計算機的組成原理與應(yīng)用，輔之自動控制原理與應(yīng)用，還要培養(yǎng)自己的親自動手實踐與綜合能力，達(dá)到“軟，硬”件結(jié)合。

本設(shè)計采用PIC16F877 系列單片機設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，對絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行自動測試，包括高精度溫度自動檢測，護(hù)板溫度控制，導(dǎo)熱系數(shù)的計算等。要求應(yīng)用K型熱電偶進(jìn)行測溫，實現(xiàn)高精度的溫度檢測，要求達(dá)到GB 要求，分辨出0.1℃。具有護(hù)加熱板的溫度手、自動控制。用液晶顯示溫度值。本設(shè)計的主要問題在于數(shù)據(jù)采集回來轉(zhuǎn)換精度，具有溫度的歷史記錄，以及手動具有手自動切換功能的設(shè)計。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),試件的熱阻為R((TH-TC)·A/Q),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，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。為了使設(shè)計的電路硬件及軟件系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用，下面將進(jìn)行設(shè)計方案的論述討論。

1 平板導(dǎo)熱系數(shù)的開發(fā)設(shè)計方案

方案一：雙試件；方案二：單試件。

雙試件式裝置中，在兩個幾乎相同的試件中加1 個加熱單元，試件外側(cè)各設(shè)1 個冷卻單元。熱流由加熱單元分別經(jīng)過兩側(cè)試件傳給兩側(cè)冷卻單元。絕熱材料兩表面溫度差為零，無熱流通過。為了便于實驗室之間比較，推薦裝置的尺寸系列如下：直徑（或邊長）為0.3m；直徑（或邊長）為0.5m；直徑（或邊長）為0.2m(僅用于測定勻質(zhì)材料)；直徑（或邊長）為1.0m(僅用于測定厚試件)。綜合以上考慮，方案二中測定雙試件導(dǎo)熱系數(shù)，然后再求平均植，則比方案一求得的導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確。為了保證測量的精度，保證設(shè)計的要求，選取方案二進(jìn)行設(shè)計。

2 基本原理

使用PID 電路實時控制冷、熱板的溫度，建立類似于以2個平行勻溫平板為界的無限大平板中存在的一維恒定熱流，使試件的兩表面之間出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生熱流量。通過計算機采集穩(wěn)定狀態(tài)下流過計量單元的一維恒定熱流量Q（W）、試件冷、熱表面的溫度差T 應(yīng)用下列公式，計算出試件的熱電阻R（m2·K/W）、導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/m·K）：

熱阻計算公式：R=A（T1-T2）/Q；

式中：A 為計量面積，m2；T1為試件熱面溫度平均植，K；T2為試件冷面溫度平均植,K；Q 為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）]

式中：D 為試件平均厚度，m。

3 基本技術(shù)性能

根據(jù)新型節(jié)能建材檢測的要求，開發(fā)出一套相應(yīng)的軟件。當(dāng)測定溫度接近室溫時，測量準(zhǔn)確度不大于±2%。在全部測量范圍內(nèi)，任何情況應(yīng)得到不大于±5%的準(zhǔn)確度。

保持裝置內(nèi)試件，不改變測定條件重復(fù)測定的重復(fù)性優(yōu)于1%。被測試件的基本尺寸為500mm×500mm。

4 采樣AD 轉(zhuǎn)換器設(shè)計

方案一：進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換器擴展。不使用16F877 單片機自身內(nèi)帶AD 轉(zhuǎn)換器，在印刷電路板上使用獨立的12 位AD轉(zhuǎn)換器，則測溫的分辨率為1100/4096 大約為0.268，滿足0.1 度分辨率的要求。方案二：使用16F877 單片機自身內(nèi)帶AD 轉(zhuǎn)換器。如果使用16F877 單片機自身內(nèi)帶AD 轉(zhuǎn)換器，可以達(dá)到測溫的目的，但是由于測溫范圍在0~1100 內(nèi)，16F877 單片機自身內(nèi)帶AD 轉(zhuǎn)換器僅可以轉(zhuǎn)換10 位二進(jìn)制，其測量精度為1/1024，分辨率為1100/1024 大約為1.0742遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際要求（分辨率0.1 度），故6F877 單片機自身內(nèi)帶AD 轉(zhuǎn)換器不能夠滿足測溫需求。綜合以上考慮，選取方案一進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)設(shè)計要求以及方案論證，設(shè)計硬件框圖如圖1。

圖1

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，為此我們選取了低價格、低功耗的儀用放大器AD620，它只需一只外部電阻就可設(shè)置1 ～1000 倍的放大增益。由于其輸入端采用了超β 處理技術(shù)，使AD620 有較低的輸入偏置電流、較高的建立時間和較高的精度，同時具有低噪音、低輸入偏置電流和低功耗的特性，所以用于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是較為理想的器件。對熱電偶信號進(jìn)行冷端補償?shù)姆椒ê芏啵覀儾扇×穗娮友a償方法，采用美國DALLAS 公司生產(chǎn)的溫度傳感器件DS18B20，這是在其前代產(chǎn)品DS1820 的基礎(chǔ)上推出的單線數(shù)字化溫度傳感器，可直接將溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機串行讀出。在采集溫度的設(shè)計中使用了AD7888 來采集電壓信號，采樣和轉(zhuǎn)換過程使用的都是內(nèi)部時鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。工作時，由單片機產(chǎn)生CS信號以控制轉(zhuǎn)換過程，并用EOC 信號作為外部中斷源來觸發(fā)單片機的INT/RB0 中斷。單片機在響應(yīng)中斷后將產(chǎn)生串行時鐘SCLK 和片選信號CS，并從DOUT 引腳讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

5 結(jié)語

導(dǎo)熱系數(shù)儀的分析與設(shè)計，必須和具體實際相結(jié)合。只有這樣，我們的導(dǎo)熱系數(shù)儀的開發(fā)和設(shè)計才能真正的服務(wù)社會，從而得到最佳的實踐應(yīng)用效果。一個導(dǎo)熱系數(shù)儀的設(shè)計，不可能一步到位，還需要不斷完善和補充。本文僅僅是對設(shè)計方案及主要硬件選型進(jìn)行了簡要分析，導(dǎo)熱系數(shù)儀的設(shè)計工作并沒有完全結(jié)束，還有一些功能有待完善，這需要在日后的工作中繼續(xù)進(jìn)行。