便携式快速热分析仪的设计与实现

周怡君，戴 挺，王明君

(1.东南大学机械工程学院，江苏南京 211189;2.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189)

0 引言

铸铁炉前快速热分析技术是以铸铁组织形成过程的凝固温度曲线为被测对象，对凝固曲线进行数学分析，得到曲线的特征点，并根据预先确认的数学模型计算出铁水的碳当量(CE%)、碳含量(C%)、硅含量(Si%)等指标的铸铁成分分析技术［1－3］。快速热分析仪的测量精度可以达到 CE＜0.10%、C＜0.05%、Si＜0.10%，是铸铁生产过程中炉前使用的简洁、快速、准确的分析仪器。

为了加强铁液质量控制，国内外在铸铁炉前快速检测方面做了大量的研究。特别是西方工业发达国家将计算机技术应用于铁液质量热分析法检测，研制出了智能化多功能测试仪。例如天津撒布浪斯探测仪器有限公司和天津汇丰探测装备有限公司等合资企业生产的炉前铁水质量管理仪，一般采用8条曲线，实现了对铁液性能的快速、准确的测定，很好地保证了铸件的产品质量。而在国内，炉前快速分析仪的研发相对较少，技术相对落后。朱彬等采用单片机与PC104相结合的方式，完成了数据的采集以及成分的分析［4－5］;夏志全等提出基于Lab-VIEW的快速热分析仪数据采集系统，采用第三方数据采集卡通过串口通信与上位机相连，实现了温度数据的实时采集与显示［6］。

文中采用单片机作为控制核心，10吋LCD实时显示采样曲线以及分析结果，微型打印机实现结果的输出，从而实现便携式快速热分析仪的研制。

1 硬件设计

图1所示为快速热分析仪硬件框图，系统分为4个部分:核心控制单元、数据采集单元、人机交互单元和CAN总线单元。其中，核心控制单元采用MC9S12XS128微控制器为控制核心;数据采集单元实现温度信号的调理放大，并采用14位高精度ADC采样数据，通过SPI总线与MC9S12XS128微控制器相连;人机交互单元包括LCD显示屏、微型打印机、LED灯以及键盘，用于完成参数设置、温度曲线实时显示、分析结果与历史记录的显示和打印，同时LED显示主要用于运行状态的显示以及报警;CAN总线单元与LED点阵屏相连，实现实时温度与分析结果的远程显示。

图1 硬件框图

1.1 核心控制单元

核心控制单元如图2所示，主要包括MC9S12XS128微控制器，以及相关的电源、配置引脚、CRG和BDM等模块。

图2 核心控制单元

MC9S12XS128是功能更为强大的16位微控制器［7］，提供了32位MCU的性能并且保留了16位MCU的低价格、低功耗、卓越的EMC和有效编码长度的优势。主要特点有:增强型HCS12内核;128 K FLASH，32K RAM，4K EEPROM;1 路MSCAN;2路UART总线;1路SPI总线等。

MC9S12XS128的电源模块是一个能提供了2个不同电流的独立2.5 V电源的双输出稳压器。电源模块输入电压范围是从3.3～5 V(典型值)，共有稳压电源输入引脚 (VDDR)、模拟电源(VDDA)、电源模块主要输出(VDD)、PLL和时钟电源(VDDPLL);外部电源(VCC)通过电感滤波、稳流后产生VDDA以及VDDR;每个电源引脚皆有相应的滤波电容。

PE5(MODA)、PE6(MODB)和BKGD(MODC)为配置引脚，当MCU复位时根据3个脚的电平来决定MCU的工作方式，当前配置为正常单片模式。

1.2 数据采集单元

快速热分析仪一般都采用K型热电偶作为温度传感器，放置于专用的样杯中。K型热电偶测温时，必须进行冷端补偿、调零、电压放大和线性化等一系列工作，否则会产生很大的误差。系统中，温度放大调理电路采用AD595，AD595是为热电偶测温设计的专用芯片，内部具有放大、冷端补偿以及断偶报警等功能［8］。如图3所示为采用AD595的热偶信号调理电路，J1是热电偶的输入端;通过调节电位器使得检测温度对应电压端(TEMP)在0～10 V之间，以便于ADC采集;ALM端口为报警输出端，当断偶时ALM端输出15 V高电平。

AD7367是14位、高速、低功耗、单/双极性转换的串行逐次逼近型A/D转换芯片［9］，支持SPI接口，并具有两个独立的转换单元。AD7367还能编程选择3种模拟输入电压范围，分别为:±10 V、±5 V和0～10 V，系统采用0～10 V电压范围。如图4所示为基于AD7367的数据采样电路，AD595输出的电压信号通过OP07跟随后，接入AD7367的VA1;AD7367的数据端与MC9S12XS128微控制器的SPI0相连;±12 V电源通过DC－DC转换器WRA1215ZP获得。

图3 热偶信号调理电路

图4 数据采样电路

2 软件设计

2.1 测试分析流程

测试分析流程采使用定时器事件驱动状态机的方式来实现，状态机的状态转换图如图5所示。由于铁水冷却过程中温度变化缓慢，定时器事件为 0.5 s发生 1次。系统采用MC9S12XS128微控制器内部实时时钟(RTI)生成500 ms的定时间隔，在RTI定时中断程序中完成状态机的转移。

图5 测试分析流程状态转换图

平时系统处于空闲状态;当传感器样杯放置好后进入测试等待状态，此时等待浇样;当铁水浇入样杯，测试温度会很快高于1 100℃，进入测试分析状态，系统采用边采样边分析的方法，同时温度曲线实时显示在LCD屏上;如果在此过程中，能找到TL与TS并完成实时成份分析，则直接进入结果显示状态;如果测试温度已低于1 050℃仍未完成成份分析，则进入成份分析状态;此时，采用成份分析程序完成成份分析，然后进入结果显示状态;最后等待更换样杯，完成整个测试流程。

2.2 测试分析算法

快速热分析仪测定铁水化学成分时采用加碲的样杯。此时在铁水冷却过程中，会出现明显的初晶温度(TL)平台与共晶温度(TS)平台。其中，TL平台位于冷却曲线的第一平台处，此平台极短;TS位于冷却曲线第二个平台处，此平台较长。通过大量的测试和回归分析，发现铁水中C含量与Si含量主要取决于初晶温度TL与共晶温度TS.所以，冷却曲线的去噪声、拟合、平滑处理，以及特征值的搜索和确定TL以及TS的二次回归算法的研究最为重要。

系统中，首先通过小波分析去噪方法对温度数据进行预处理，然后采用拐点与平台相结合的算法确定TL和TS.实际应用中，确定TL时采用拐点与平台相结合的算法，确定TS时采用平台算法。

在实际检测铁水温度变化时，获得的仅是一系列离散点。拐点算法的原理是:离散曲线的任意4个连续散点，若满足公式 1(式中 i=1，2，3…)，则(xi+1，yi+1)为曲线的一个拐点。

其流程如图6所示。

平台算法的原理是:在测量误差允许的情况下，液、固相线温度值对应的散点附近的曲线近似作为直线，其流程如图7所示。

3 结束语

图6 拐点算法流程图

图7 平台算法流程图

如图8所示为便携式快速热分析仪样机在某铸造厂做样时的情况。LCD屏显示的为当前测试的铁水冷却曲线，以及C含量、Si含量等。当成分分析完成后，微型打印即将测试时间、铁水成份等信息打印出来。

图8 便携式快速热分析仪样机

表1所示为在南京某铸造厂测试的5个试样的测试结果与化学分析结果比较。样机测量的C含量相对误差都在1%以内，Si含量相对误差能达到5%以内，完全达到测试要求。

表1 测试结果

［1］王利华，石德全，李大勇.热分析技术在铸造生产质量检测上的应用.金属铸锻焊技术，2009，38(21):72 －75.

［2］金长久.铁液质量热分析仪的功能特点及发展.铸造技术，2004，25(10):806－807.

［3］刘长起，王学华.热分析仪器使用过程中应注意的问题.2009中国铸造活动周论文集，2009.

［4］朱彬，陈为旭，刘军民.多功能铸铁熔炼炉前综合分析仪的研制.仪表技术与传感器，2008，11:26 －28.

［5］朱彬，累岳俊.手持式智能化铁水分析仪的研制.仪器仪表学报，2008，29:481 －483.

［6］夏志全，吴和保，龙玉阳，等.基于LabVIEW 的快速热分析仪数据采集系统的研究.武汉工程大学学报，2011，33(5):94－96.

［7］MC9S12XS128 Data Sheet，［EB/OL］.http://www.freescale.com，2006.

［8］牛军，常进，张宇.一种基于LON网络的智能传感器节点设计与实现.电子测量技术，2008，31:131 －134.

［9］True Bipolar Input，12 － /14 － Bit，2 － Channel，Simultaneous Sampling SAR ADCs.

［10］AD7366 －5/AD7367 －5 Data Sheet，［EB/OL］.http://www.analog.com，2007.