非晶態合金電阻率測量和溫控系統的設計

李玉婷

摘 要：非晶態合金的結晶過程中電阻率變化明顯，這個特性是晶核組織結構的敏感性能指標。運用非線性系統辨識方式，創建能夠反映非晶態合金在結晶過程當中金屬材料電阻率的時間序列模型，從而分析并預先判斷出非晶態合金在結晶過程中表現出的各種特征及相應參數變化，然后靈活、方便的控制結晶過程的溫度，在一定程度上就可以控制非晶材料的組織特征。

關鍵詞：結晶過程 四探針法 電阻率 PID控制算法

非晶合金從液態金屬（或氣體狀態）快速冷卻，由于沒有時間在室溫或低溫結晶和保持液體的原子無序的凝聚狀態，它的制作工藝簡單，節能效果顯著，具有優異的機械、物理和化學性能，是一種新型的綠色工程材料。研究非晶合金的晶化過程，可以鑒定金屬玻璃形成非晶體結構的能力，還可以作為制作內部原子結構可以控制的金屬材料一種重要依據，所以對晶化過程的研究對新型材料的研制和應用具有重要的指導意義。

非晶態合金在晶化過程當中電阻率變化顯明，是以能夠通過測量金屬材料在不同溫度下呈現出電阻率大小這種關系曲線來研究金屬玻璃的結晶過程。通過溫度測控系統測量出樣品材料在什么溫度下能夠出現快速晶化，在這個溫度下，測試樣本的電阻率迅速下降。設計非晶態合金晶化過程時電阻率及溫度關系測量系統，該系統包括能發出指令并監視現場設備的信號變化的計算機即HMI（上位機）和能夠接收、傳達信號并實時轉換下屬設備中相關信號反饋給上位機的下位機兩大部分。

上位機是一臺計算機，可以實時的采集下位設備運行參數，從而不斷更新數據顯示、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警語言，并將控制數據下發至下位機中。下位機為MSP430單片機，該單片機承擔著爐溫控制及溫度采集任務和晶化設備中樣本材料電阻率測量任務，分別完成精確控制晶化設備中溫度和建立恒流源實現數字電壓測量并在同一時間內自動切換測量量程以及數據的操作和控制。把非晶態合金樣本放在晶化設備里，通入高精度交流穩流電源，在材料上形成電位差，通過直流放大器放大電位差，通過AD轉換單元與標準電阻的電位差進行對比，以此獲得高精度交流穩流電源的電流大小，并將該電流值轉換成兩路數字量輸出給單片機；通過溫度檢測單元檢測的結晶溫度和由此產生的數據被轉換成數字量輸入到單片機，而后單片機根據鍵盤輸入的參數以及其他控制要求信號給加熱電路發送相應控制信號以調節晶化箱的溫度。最后，單片機計算晶化材料電阻率，在LCD上顯示結果，并將測試出的電阻率以及該電阻率對應的溫度傳送給上位機。

一、系統硬件設計

把電阻率測試系統和溫度測控系統綜合起來分析，能夠看出系統對測試電路并沒有過高要求，整個系統的控制功能較少，測量頻率也較低，而且系統中使用的所有芯片都采用串口通訊，對通訊端口的數量也要求不多。只是為保證該系統的易操作性，系統需要能夠提供強大的人機交互功能，操作者可以將操作意圖通過鍵盤或其他設備傳遞給計算機，并且能夠看見操作過程及反應結果，綜上所述，用普通的51單片機加上外接的液晶顯示器就能實現。但考慮到51單片機輸入、輸出端口較少及需要外擴液晶顯示器控制芯片，本系統選擇集成度較高的、輸入輸出端口較多的且自帶液晶顯示單元的MSP430型單片機作為核心控制器件。該單片機可以在一塊芯片上實現多個功能，設計方便、節能效果好。MSP430單片機處理數據以16個字節為一個單位，比8位的51單片機響應速度高。而且有些型號的MSP430單片機擁有2千字節的隨機存取存儲器和超過3兆字節的只讀存儲器，能夠達到移植小型操作系統所需配置。

二、系統軟件設計

把電阻率測試系統和溫度測控系統綜合起來分析，能夠看出系統中存在很多小任務，而且這些任務之間相互影響、相互關聯，并且大多任務都要求能夠實時控制。如果單獨設計系統軟件，面臨著難度太大、無法實時更新與維護等諸多難題，所以本系統的軟件設計借助嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ智能操作系統功能來設計應用層任務等級，解決任務交互控制問題。這樣一來，就可以解決掉單獨設計軟件引發的難度太大、無法實時更新與維護等諸多難題，還能保證系統的實時性控制，縮短整個系統設計時間，有較強的應用性。

參考文獻：

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