基于單片機的炭黑復合導電材料的電阻－溫度測量系統

寧　凡　盧勇躍

摘 要：以AT89S51單片機為核心,采用熱電偶放大器芯片AD595，設計炭黑復合導電材料的電阻－溫度測試系統，實現了電阻和溫度的測量。介紹系統的硬件結構和軟件設計方法，特別是溫度和電阻的采集和顯示過程。實驗結果表明，設計的系統能夠方便準確地測量電阻和溫度的變化，測量數據驗證了炭黑復合導電材料的PTC特性。

關鍵詞：熱電偶放大器；AD595；電阻－溫度測量；AT89S51；導電材料

中圖分類號：TP368.1文獻標識碼：B

文章編號：1004 373X(2009)02 174 03

Resistance－Temperature Measurement System of Carbon Black

Conductive Composite Material Based on Single Chip Computer

NING Fan1,LU Yongyue2

(1.Hangzhou Professional Technical College,Hangzhou,310018,China;2.Hangzhou Pnshar Technology Co.Ltd.,Hangzhou,310035,China)

Abstract：A resistance－temperature measuring system of carbon black conductive composite material is designed.The system takes AT89S51 as the microcontroller,adopts thermocouple amplifier chip AD595,accomplishing the measurement of resistance and temperature is completed.The hardware and software design,especially the display process of temperature and resistance acquisition are introduced.Experiment results prove that the change of resistance and temperature can be measured.The PTC characteristic of carbon black conductive composite material is verificated.

Keywords：thermocouple amplifier;AD595;resistance－temperature

measuring;AT89S51;conducting material

0 引 言

隨著電子工業及信息技術等產業的迅速發展，對于具有導電功能的高分子材料的需求越來越迫切［1］。導電復合材料具有質量輕、無銹蝕、易于加工成各種復雜形狀，尺寸穩定性好，電導率在較大范圍內可調，易于大批量生產以及價格便宜等特點［2］，因此廣泛應用于抗靜電、微波吸收、自控溫發熱材料、電磁波屏蔽［3－7］等領域。其中，炭黑復合導電材料是目前應用最廣，用量最大的一種。在此以AT89S51單片機［8］為核心，設計一種簡易的測量炭黑復合導電材料電阻和溫度系統，系統框圖如圖1所示。

單片機通過熱電偶放大器芯片采集當前的溫度值；通過電壓轉換電路采集電阻值，送到FM24C02以備查詢，LCD顯示當前的電阻和溫度情況，使用者可以方便地讀出電阻和溫度的變化，還可以通過串行口和上位機上進行通信。

1 AD595的工作原理與應用

AD595是AD公司生產的一款熱電偶放大器,將儀器放大器和熱電偶冷接頭補償器全部集成在1塊單片芯片上,產生一個10 mV/℃的輸出。管腳的可選擇性使其可以作為一個線性放大補償器或者是設置工作點控制器的開關輸出。

AD595包含一個熱電偶故障報警,如果熱電偶的一腳或雙腳開路,可以顯示報警信號。報警輸出有很多種靈活的方式,包括TTL形式。

AD595能夠用一個單端+5 V電壓供電。如果用負電壓,則可以測量0 ℃以下的溫度。為了使其自身發熱最小化,一個無負載的AD594/AD595的總電流是160 μA,當然也可以把5 mA以上的電流傳送給負載。

1.1 溫度穩定性

每個AD595都測試過在不同溫度時對零點進行測量時的溫度誤差。冷接頭補償器的誤差、放大器的偏移量以及增益誤差等綜合起來決定了AD595在額定環境溫度范圍內的輸出穩定性。圖2顯示了AD595的測量誤差分布范圍。圖2中的坐標單位為℃。

1.2 熱環境效應

AD595本身固有的低能量耗散以及低熱阻抗的封裝使得它由于自身發熱引起的誤差可以忽略。例如,在靜止的空氣中,芯片的環境熱阻抗大約為80 ℃/W(D型封裝)。在額定的800 μW的耗散下,在自由的空氣中自身發熱誤差小于0.065 ℃。浸沒于液態的氟中,熱阻抗大約為40 ℃/W,使得自身發熱誤差大約為0.032 ℃。如圖2為AD595的測量誤差分布。

單片機采集溫度值時，AD595的第1腳感受炭黑導電材料的溫度變化；第8腳輸出與溫度對應的電壓變化，變化系數為10 mV/℃，該電壓經過LM358放大送至V/F單元進行轉換，之后單片機把采集信息存放在FM24C04中。

2 V/F轉換器件LM331

LM331是美國NS公司生產的性價比較高的集成芯片，可作精密頻率電壓轉換器使用。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0 V電源電壓下都有極高的精度；同時，它的動態范圍寬，可達100 dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01％；工作頻率低，到0.1 Hz時還有較好的線性；變換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換精度。電路見圖4。

3 單片機AT89S51及ISP接口

AT89S51單片機兼容MCS51微控制器,但比早期的AT89C51做了改進,內帶看門狗定時器,無需外加監控芯片,通過軟件設置就可保證系統可靠工作,并且支持在系統可編程,不需要從電路板上取下器件就可對空白器件進行編程。

單片機采集電阻信號時，通過一個恒流源電路把炭黑的電阻轉換成電壓值，放大后轉換成頻率信號送至AT89S51，單片機把采集信息存放在FM24C04中以備查詢。

AT89S51的ISP［9－11］有串口和并口2種方式,設計中采用并行下載接口方式,其與單片機的接口電路如圖4所示,該電路下載速度快,工作穩定。采用Easy51Prov2.0軟件即可完成在線編程。

4 顯示電路T6963C

在中規模圖形液晶顯示模塊中，內置T6963C控制器的液晶顯示模塊是目前較為常用的圖形液晶顯示模塊。內置T6963C控制器型液晶顯示模塊的驅動控制系統是由液晶顯示控制器T6963C及其周邊電路，行驅動器組，列驅動器組以及液晶驅動偏壓電路組成。

T6963C的最大特點是具有獨特的硬件初始值設置功能，顯示驅動所需的參數如占空比系數，驅動傳輸的字節數／行及字符的字體選擇等均由引腳電平設置。這樣T6963C的初始化在上電時就已經基本設置完成，軟件操作的主要精力就可以全部用于顯示畫面的設計。

T6963C使用了硬件初始化設置，所以使得其指令功能集中于顯示功能的設置上，從而加強了T6963C的顯示控制能力。

T6963C指令的運行時間有些是不能確定的，這是因為有些指令的運行要受到當時控制部分的狀態影響。

T6963C指令中有的指令需要參數的補充，如地址指針的設置。T6963C指令參數的輸入是在指令代碼寫入之前。T6963C的指令寫入的流程圖如圖6所示。

5 軟件設計

系統軟件按模塊結構設計,主要包括設定初值,調用子程序以及設置各個接口狀態,讀/寫操作控制等部分。單片機控制軟件主要完成下面幾個功能,即V/F轉換控制、電阻值和溫度顯示以及計算機串口通信等。軟件采用C語言程序（略），程序流程如圖7示。

6 調試過程及結果

將被測信號放大，通過V/F轉換（LM331）器將模擬量轉換成頻率，并用CPU讀取頻率值，通過轉換計算，得到被測信號的數值。

電阻測量：利用恒流源，將恒定電流流過被測試樣并將電壓值轉換成頻率值，電流不能太大，較大的電流會引起溫度變化從而影響電阻值。

溫度測量：用K型熱電偶測量溫度，采用AD595將溫度值轉換成模擬電壓，AD595自帶冷端自動補償。

該測試系統測試R－T變化如表1所示，由表中數據變化可以看出，炭黑復合導電材料具有PTC特性。

7 結 語

利用單片機構建的這樣一個電阻－溫度測量系統,能方便地應用于具有溫度傳感器特性的各種導電材料的測量,使用比較便利，利用串口可以和上位機進行通信，可使測量結果更加直觀方便。

參考文獻

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作者簡介 寧 凡 1977年出生，杭州職業技術學院講師，碩士研究生。研究方向為單片機、傳感器。