保溫材料傳導系數檢測系統的設計

安然然，王淮中

(沈陽化工大學計算機科學與技術學院，遼寧沈陽 110142)

隨著國家不斷推行節能、減排、綠色環保的方針政策，各行各業都推出相應的節能檢測標準，并積極采取各種檢測方法對本行業的各類產品進行檢測、排查，從而調整產業結構，保證與國家綠色環保方針相一致.建筑行業的保溫材料種類繁多，生產廠家鋪天蓋地，因此，生產的產品良莠不齊.雖然保溫材料的化學成分較易檢測，但是其表現出的物理效應——傳導系數因受制作流程、環境、測試方法等多方面因素影響而很難準確檢測.在進行保溫材料傳導系數檢測時，由于檢測儀器、檢測方法、檢測依據差異性很大，國家至今沒有出臺統一的檢測標準與方法.因此，整個行業中的各個廠家迫切希望在國家標準出臺前能夠制定一個切實可行的行業標準，滿足對產品質量的檢測要求.為達到國家節能檢測要求，并滿足行業中各個廠家對傳導系數行業標準建立的需求，本文開發設計了檢測保溫材料傳導系數系統，系統采用一線總線搜索算法對多個高精度溫度傳感器進行多點采集，然后通過相應數學算法進行綜合處理，從而保證測量的穩定性.

1 設計原理與實現方法

在北方冬季，供暖公司向居住小區各終端用戶輸送熱能，保證每個房間的溫度不低于國家規定標準18℃，但是，如果居民家中的保溫材料隔熱效果不好，大量的熱量就會從室內散發到室外，進而造成能源的無端消耗，經濟的巨大浪費.而保溫材料的傳導系數直接決定隔熱程度的好壞，決定著各項經濟成本，因此，通過對導熱系數的測量即可選擇高質量的保溫材料，保證節能減排.保溫材料的傳導系數測量，即測定單位時間內從待測保溫材料，如擠塑板或苯板，一面傳導到另一面的熱量.在建筑設計過程中保溫材料一般貼在用戶的外墻上，起著阻礙溫度流失的作用.當冬季居民家中開始采暖時，由于墻體中的沙石和水泥是比較好的傳熱體，因此，熱量很容易通過外墻從屋內傳導到墻體外壁，而保溫材料組成的防護墻就是保證熱量不向外流失的最后一道屏障，因此，熱量從保溫材料一面向另一面傳播的時間越長，保溫效果就越好，反之保溫效果就越差.

為了能夠檢測保溫材料的傳熱能力，根據熱量散失理論進行如下設計:首先，為了保證測試環境不受外界因素的影響(如日照或刮風)，采用一個密閉箱體使測試材料與外界環境分離，以避免測試過程中保溫材料從外界環境吸取熱量或散失熱量.其次，在待檢測材料的兩面分別緊貼上傳導效果極好的銅板，在兩塊銅板中分別嵌入多個高精度溫度傳感器，并使銅板A與供熱源相連，使其溫度始終保持20℃，而使銅板B與制冷源相連，使其溫度始終保持為0℃.這樣就有效地模仿出居民家中的環境——屋內20℃，屋外0℃的場景.通過系統的模糊控制使兩塊銅板溫度差達到恒定，這時傳導平衡建立.在平衡條件下，通過系統采集數據的分析，可知道單位時間內為保持溫度差熱源提供了多少能量給銅板A，而這些能量就是從銅板A傳導到銅板B散失的能量，通過相應數學計算，即可求出保溫材料的傳導系數.測量系統原理如圖1所示.

圖1 測量系統原理Fig.1 Schematic diagram of the measure system

2 系統硬件接口

2.1 芯片簡介

系統采用ATMEL公司8位單片機AT90S8515作為核心芯片，其內部結構采用精簡指令集設計，因此，在相同晶振時鐘驅動下，單條指令執行速度比相應的51單片機快12倍，而且抗干擾能力強，驅動能力強.AT90S8515單片機包含同步通訊接口SPI，可高速地與外圍設備進行通信，大大提升了板間通訊速度;其包含串行通訊接口可與上位PC機進行數據通訊.

DS18b20是美國DALLAS公司出產的高精度單總線數字測溫芯片，每個DS18b20芯片在出廠時都被固化了唯一的64位序列號，其測溫范圍為-55～+125℃，測溫精度可達0.5℃，分辨率最高可達0.062 55℃.DS18b20內部自帶數模轉換器，芯片可在控制命令操作下自動完成溫度采集、模數轉換等一系列過程，然后將轉換為16位二進制的溫度數據存儲到內部暫存器中，單片機可按照一定的讀寫時序對總線上所有的傳感器進行讀寫，大大地簡化了單片機與溫度傳感器的通訊設計［1］.

2.2 系統硬件電路的設計方法

為了保證測溫的均衡性，多個DS18b20溫度傳感器均勻地嵌入到每塊銅板上.銅板A和銅板B上的溫度傳感器分別連接到2條電纜上，電纜通過總線驅動后再與AT90S8515單片機2個不同的引腳相連.溫度傳感器在單片機的讀寫時序控制下進行溫度的采集、轉換、保存，計算機再對單片機上傳的數據進行分析、處理，從而調控供熱源和制冷源的功率，保證傳導平衡.AT90S8515單片機與多個DS18b20芯片的連接如圖2所示.

圖2 系統硬件總體框圖Fig.2 Diagram of the system hardware

在檢測過程中，系統為保證銅板各點溫度的均衡性，需要實時監控銅板各個測試點，其方法如下:單片機通過一線總線分別向銅板A和銅板B上嵌入的不同溫度傳感器DS18b20發出控制指令，被選定的溫度傳感器接收控制命令后，進行溫度轉換、傳送.檢測過程中使用的溫度傳感器較多且測試時間較長，因此，采集到的溫度數據較多.而單片機本身所帶的Flash存儲器只有8K，而且單片機中還需要運行一線總線搜索算法、CRC冗余檢測算法、溫度加熱模塊的控制以及制冷壓縮機的控制，因此，其存儲空間只能滿足程序存儲的需要，不足以存儲大規模采集數據，所以，必須將采集到的溫度信息存儲到外圍存儲芯片中.ATMEL公司的AT25HP512是容量為64K 8bit的SPI串行EEPROM，單片機可直接將其集成SPI串行接口引腳與AT25HP512相應的SPI串行通信引腳相連，實現高速通信.由于SPI通信協議中必須設置通信雙方的主從關系，因此，在硬件電路設計時將AT90S8515的I/O口引腳PB5(MOSI主出從進)、PB6(MISO主進從出)、PB7(SCLK系統時鐘)分別連接到AT25HP512的MISO、MOSI和SCLK引腳上，這樣外圍存儲器AT25HP512就被設定為單片機的從屬設備，可在單片機提供的時鐘脈沖頻率下被訪問，單片機與存儲器的通訊速度可在單片機相應通訊寄存器進行設置，其具體的通信電路如圖3所示.

圖3 AT90S8515單片機與AT25HP512存儲器的通信電路圖Fig.3 Communication diagram of AT90S8515 and AT25H512

系統在PC機中設計相應的數據庫，用來保存單片機采集到的多個DS18b20溫度傳感器的64位ROM編號信息、采集時間、采集溫度等信息，并根據對溫度信息的分析與處理實現對銅板A和銅板B的溫度控制.單片機在PC機的控制命令下訪問外部存儲器并將數據上傳，兩者之間通過通訊接口芯片MAX232以半雙工、9600波特率進行通信［2］，其通信連接如圖4所示.

圖4 單片機系統與上位機通信框圖Fig.4 Diagram of communication with PC

3 系統軟件設計

統軟件設計根據功能不同可分為兩大軟件系統:首先為下位單片機“溫度采集軟件系統”，其主要負責對多個溫度傳感器進行實時溫度采集，如圖5所示;然后為“上位PC機的軟件系統”，其主要負責對下位單片機發送控制命令并通過通訊接口接收單片機上傳的溫度信息，再將接收到的數據進行提取、計算、分析、存儲，如圖6所示.

圖5 單片機溫度采集軟件系統框圖Fig.5 Diagram of microchip software system

當單片機通電后，溫度采集系統自動運行，軟件程序驅動單片機通過連接端口向溫度傳感器發送初始化命令，使掛在一線總線上的所有DS18b20溫度傳感器進行初始化，然后系統發出“搜索命令”，搜尋總線上所帶DS18b20溫度傳感器的總數量，并將每個DS18b20溫度傳感器所配備的唯一出廠ROM編號記錄下來.接著單片機向掛在一線總線上的所有DS18b20溫度傳感器發出"溫度轉換"命令，單片機等待DS18b20溫度傳感器將自然溫度值轉換成16位二進制數據，并存儲到自身的暫存器，再發出“ROM匹配”命令，在一線總線上找尋ROM編號與所發ROM編號相一致的DS18b20，然后對其進行溫度讀取，DS18b20溫度傳感器在讀取時序的控制下將暫存器中的第1、2字節內容傳送到單片機中［3］，單片機根據系統要求循環采集所需傳感器的溫度值，從而完成溫度采集，如圖5所示.

上位機PC軟件主要負責向下位單片機發送控制命令，使單片機能夠按照上位機軟件系統的要求對符合ROM編號的溫度傳感器進行溫度采集，并將采集到的結果傳送到上位機進行處理.單片機在對溫度傳感器進行溫度采集時得到的是2個字節的溫度信息值，但是在顯示與存儲中必須轉換成帶有正負號的十進制小數形式，而單片機特別不適合進行浮點運算，因此，單片機通過串口將數據發送給上位PC機進行統一處理分析，處理后的數據可以文件的形式存儲到PC機的硬盤上，操作者可隨時調用此文件并通過“時間-溫度曲線”顯示溫度采集與控制過程，如圖6所示.

圖6 上位PC機軟件系統框圖Fig.6 Diagram of PC software system

4 總結

保溫材料傳導系數檢測系統設計的核心是保證檢測過程中高質量的重復性.行業中許多測試機構同樣采用熱傳導的方式來進行測量，但是其對同等材料檢測的重復率較低，主要原因如下:第一，因為傳導熱量極其細微，檢測中需要傳感器反應靈敏，但他們沒有開發模具，創造一個氣密性極好的密閉箱體，根本無法保證傳感器采集數據的穩定性;第二，傳感器與待測物品通過黃油作為接觸劑進行接觸，無法保證傳感器充分感應出溫度的極小變化;第三，傳統的高精度熱電偶傳感器其反應非?？旖菝黠@，但是在后續電路的設計方面很容易造成線性漂移或零點誤差，而此設計涉及到的信號為毫伏信號，很容易和干擾信號混雜一起，難以分辨.

針對上述，本設計開發模具創造出一個氣密性極好的密封箱體，保證了傳感器采集數據的穩定性;為保證傳感器與導熱銅板能夠緊密配合，特意設計模具將銅板鉆出等距離、等大小的空洞，然后將溫度傳感器埋入洞中，再用銅水進行澆注，使傳感器徹底成為銅板一部分，從而保證傳導檢測靈敏;測試中采用集成電路溫度傳感器，而不是原有的熱電偶傳感器，有效地保證了溫度傳感器的一致性，并且減少了濾波電路、放大電路等外圍電路對采集信號的影響，保證了測量的精確度.經過以上改進，該儀器與其他廠家所開發的儀器相比，其重復率、準確度、檢測時間等方面都展現出較大優勢.

［1］ 李鋼，趙彥峰.1-wire總線數字溫度傳感器ds18b20［J］.現代電子技術，2005(8):77-79.

［2］ 朱常青.用RS-232串口實現數據的遠距離通信［J］.石油儀器，2003(1):33-34.

［3］ 鄭長征，毛哲，謝兆鴻.多個DS18B20在糧庫測溫系統中的應用［J］.自動化技術與應用，2006，25(11):87-89.