基于單片機的導熱系數測試儀的系統設計淺談

楊杰

（華北制藥集團先泰藥業有限公司，河北 石家莊 050100）

在日新月異的今天，計算機技術已經廣泛應用于社會的各行各業，為科研和生產的發展帶來了重大飛躍。其中單片機更是廣泛應用到人們的工作、學習生活等各個領域，并成為當今科學技術現代化發展的重要工具。單片機朝著超小型、超低功耗、低成本發展，它們不搞單純的功能堆積，而是從實際出發，重視產品的性能價格比。由于單片機技術的飛速發展和廣泛應用給我們提出了一個新的課題和發展方向，因此，我們同樣要學好、學精“硬件”應用，所謂“軟硬兼備”。這樣在今后的學習和工作中才能更加深入地了解電子技術的原理與綜合應用，才能更好地從更高的層次應用發展電子技術，才能為社會創造更大的財富。當今社會需要越來越多的復合型人才，尤其是電子技術人才，不僅可以進行信息檢測、開發軟件、編程序、設計電路版、進行圖形設計處理，而且能深入了解單片微型計算機的組成原理與應用，輔之自動控制原理與應用，還要培養自己的親自動手實踐與綜合能力，達到“軟，硬”件結合。

本設計采用PIC16F877 系列單片機設計導熱系數測試儀，對絕緣材料的導熱系數進行自動測試，包括高精度溫度自動檢測，護板溫度控制，導熱系數的計算等。要求應用K型熱電偶進行測溫，實現高精度的溫度檢測，要求達到GB 要求，分辨出0.1℃。具有護加熱板的溫度手、自動控制。用液晶顯示溫度值。本設計的主要問題在于數據采集回來轉換精度，具有溫度的歷史記錄，以及手動具有手自動切換功能的設計。絕熱材料導熱系數測量基于一維穩態傳熱原理，測出試件冷熱面的平均溫度（TC、TH）和穩態加熱功率（P），由下式即可計算出導熱系數：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 為試件對應主加熱器部分的橫截面積。整個測量系統主要由爐體和溫度、功率測控系統兩部分組成，爐體按國家標準的要求加工制造，而溫度、功率測控系統則隨著電子技術的發展不斷更新。為了使設計的電路硬件及軟件系統更好地發揮作用，下面將進行設計方案的論述討論。

1 平板導熱系數的開發設計方案

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，試件外側各設1 個冷卻單元。熱流由加熱單元分別經過兩側試件傳給兩側冷卻單元。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熱系數，然后再求平均植，則比方案一求得的導熱系數準確。為了保證測量的精度，保證設計的要求，選取方案二進行設計。

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溫差，產生熱流量。通過計算機采集穩定狀態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 應用下列公式，計算出試件的熱電阻R（m2·K/W）、導熱系數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。

導熱系數計算公式：λ=Qd/[A（T1-T2）]

式中：D 為試件平均厚度，m。

3 基本技術性能

根據新型節能建材檢測的要求，開發出一套相應的軟件。當測定溫度接近室溫時，測量準確度不大于±2%。在全部測量范圍內，任何情況應得到不大于±5%的準確度。

保持裝置內試件，不改變測定條件重復測定的重復性優于1%。被測試件的基本尺寸為500mm×500mm。

4 采樣AD 轉換器設計

方案一：進行AD 轉換器擴展。不使用16F877 單片機自身內帶AD 轉換器，在印刷電路板上使用獨立的12 位AD轉換器，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 單片機自身內帶AD 轉換器。如果使用16F877 單片機自身內帶AD 轉換器，可以達到測溫的目的，但是由于測溫范圍在0~1100 內，16F877 單片機自身內帶AD 轉換器僅可以轉換10 位二進制，其測量精度為1/1024，分辨率為1100/1024 大約為1.0742遠遠大于實際要求（分辨率0.1 度），故6F877 單片機自身內帶AD 轉換器不能夠滿足測溫需求。綜合以上考慮，選取方案一進行設計。根據設計要求以及方案論證，設計硬件框圖如圖1。

圖1

本系統應用K 型熱電偶，導熱系數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，并且精確到小數點后兩位。硬件調理電路截取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 轉換器，要求調理電路放大倍數達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置1 ～1000 倍的放大增益。由于其輸入端采用了超β 處理技術，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，所以用于精確的數據采集系統是較為理想的器件。對熱電偶信號進行冷端補償的方法很多，我們采取了電子補償方法，采用美國DALLAS 公司生產的溫度傳感器件DS18B20，這是在其前代產品DS1820 的基礎上推出的單線數字化溫度傳感器，可直接將溫度信號轉換成數字信號，由單片機串行讀出。在采集溫度的設計中使用了AD7888 來采集電壓信號，采樣和轉換過程使用的都是內部時鐘和內部基準電壓源。工作時，由單片機產生CS信號以控制轉換過程，并用EOC 信號作為外部中斷源來觸發單片機的INT/RB0 中斷。單片機在響應中斷后將產生串行時鐘SCLK 和片選信號CS，并從DOUT 引腳讀取轉換結果。

5 結語

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