基于PC机与单片机的热效应模拟实验系统的设计

夏小翔

摘要：为了验证混合记录馈热效应，设计了一个介质放大模型对混合记录温度场仿真结果进行检验。放大模型的设计依据热传导理论，按比例放大模型各尺寸和加热时间。通过单片机控制加热时间，通过热电偶和数据采集系统检测温度，获得了放大模型的实验数据。

关键词：混合记录；单片机；数据采集系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）01-0162-03

Abstract： We device a magnified model of hybrid recoding medium to validate hybrid recoding heat effect according to heat transfer theory，we magnify the heat time and dimensions in proportion. We control the heating times by simple-chip computer， collect the temperature by thermocouple and data collection system. The experiment data of the model is got.

Key words： hybrid recoding， simple-chip computer， data collection system

1 混合记录热效应检测方法研究

混合记录热效应是属于纳米尺度下的热效应，纳米尺度下的温度测量有其特殊性，传统实验方法在此问题上往往存在一定的局限性。表1列出了与之相适应的一些测量方法的温度、空间及时间分辨率。显然，它们中无任何一种能用以测定500nm范围内的温度或温度差。这一空间极限实际上是由光学或光热测量技术本身决定的，因为光束点的最小尺寸要受到光波衍射效应的限制。由于光学测量中通常采用的是可见光，因此500nm极限对这些方法而言是一个天然存在的屏障。

对于500nm以下的温度测量，远场光学方法因受辐射波长的衍射限制而可以排除，即便是磁共振成像也很难测定1um以下的尺度范围，所以也无需考虑，但近场光学方法则可能奏效。为满足高空间分辨率测量的要求，石英振荡器的尺寸需要降至100nm，而这样一来其共振频率将高达1THz，然而如此高的频率实际上很难测定。扫描热显微镜是其中一种可用以研究500nm尺度内温度分布的仪器，它由原子力显微镜发展而来，不同之处在于采用了一种特制的探针。扫描热显微镜的基本思想是在原子力显微镜的悬臂端部设置一个温度传感器来同时扫描被加热表面的几何形貌及热参数。早期的扫描热显微镜是通过在扫描隧道显微镜的探针端部制作一个热偶来实现的，其初衷并非为了表面温度的测量，而是想借助针尖与样品之间的热传导来对绝缘材料的表面进行成像（因为扫描隧道显微镜仅对导体材料有效）。这种显微镜随即被用于分辨率约为100nm的光热测量。事实上该测量方法受限于温度传感器的尺寸，此后的扫描热显微镜则大多是基于原子力显微镜系统，其用于形貌成像的反馈控制机制是建立在力作用基础上的。无须借助于针尖样品之间的热传导。这样从事该方法温度测量的研究也越来越少，使得该测量方法无论是在空间还是在时间上都很难真正满足纳米量级的测量。

在考虑混合记录热效应温度检测方法的时候，除了微小尺寸外，更为关键的是检测方法的时间分辨率，由于混合记录热效应有加热时间和扩散时间短的特点，要求检测方法时间分辨率在ns量级，这样能同时满足微小尺寸和极小的时间分辨率的检测方法在现有技术情况下还很难满足。

为此我们必须对混合记录模型予以放大，通过对放大模型进行检测来验证仿真结果，模型放大采用等比例放大的原则，主要是对各尺寸的同比例放大以及按照传热学的原理同比例放大时间。基于实验验检测方法的考虑，我们将薄膜厚度尺寸放大到mm量级，相对应的时间放大到秒量级，在对各种检测方法分析比较的基础上，我们选择了热电偶作为传感器，由于热电偶采用热电效应原理，而相对检测系统来说，可以认为热电效应本身无时间延迟，这样可以认为热电偶传感器的时间响应由热电偶的尺寸和测量时的接触方式来决定，其响应时间来源于热电偶本身被加热的延迟时间。我们通过采用将直径仅为0.1mm的热电偶直接埋在被检测样品中，基本解决了热电偶时间响应上的缺陷。一方面由于热电偶的直径很小，另一方面，热电偶与被加热样品一同加热，所以热电偶的响应时间大大减小，在亚秒量级。

2 系统总体功能设计

混合记录作为一种全新的记录方式，以激光辅助热磁记录和磁通检测读出为主要特征，有理论极限记录密度高，读出分辨率、靈敏度高，对写入磁头功率要求低等一系列优点，是一种很有希望在单驱动器上实现Tb 量级存储的方法。为了验证混合记录热效应仿真结果，我们设计了一个等比例放大的热效应模拟试验系统。这个模拟系统所使用的热效应样品为一个三层结构，其中用玻璃盘基来模拟衬底层，上下两层用Fe分别模拟记录层和基底层，热电偶位于两个夹层之间，

模拟实验样品如图1所示。用激光器对上述的模拟样品加热，通过检测热电偶电压值的变化来得到模拟系统的热效应。

控制与测试系统由上位机，AT89S52单片机，驱动电路，激光器加热电路，传感器，放大电路等组成。上位机通过串口通信模块将控制信息传送给单片机，以此控制激光器的加热时间。数据采集子系统由传感器，放大电路，数据采集，数字滤波组成。主要是将传感器上的信号放大经采集卡采集通过数字滤波后得到热电偶上的电压变化，从而得到实验样品的温度变化数据。

3 实验系统各功能单元简述

本实验的目的是模拟混合记录热效应过程，验证混合记录热场分析模型的可靠性。为了便于控制加热时间和数据采集，同时得到较好的性价比，我们采用单片机控制加热时间，具体的加热时间由上位机根据实验需要通过串口通信模块传给单片机，串口通信模块采用串口RS-232C标准完成。单片机控制系统电路图如图3所示。

为了得到更加稳定精确的时间控制，本系统采用内部时钟方式。MCS-51 系列单片机有一个反相放大器，管脚XTAL1是放大器的输入端，XTAL2是输出端。两脚之间的外接电路和该反相器构成一个自激振荡器，其振荡频率正是晶振频率，或称为时钟频率。

如果单片机的时钟使用外接时钟信号时，就不用外接晶振，并导致内部时钟电路停振。该电路被称为外部时钟方式。设计振荡器时，首先要考虑器件的工作频率范围；其次，应该考虑器件的最大输出电压幅度和负载特性是否满足要求；再其次，当设计的振荡器要求低噪音性能时，还应该选噪音系数小的器件。

影响LC振荡电路振荡频率f0的因素主要是谐振回路的品质因数Q值。Q值愈大，频率稳定度愈高。由电路理论可知，为提高Q值，应该尽量减小回路的损耗电阻R并加大L/C值。为了得到很高的频率稳定度，我们选用了石英晶体振荡电路，它的频率稳定度可高达10-9甚至10-11。石英晶体之所以具有极高的频率稳定度，主要是由于采用了具有极高Q值的石英晶体元件。我们设计的时钟发生器电路如图4所示。

由于单片机引脚的输出功率很小，无法驱动继电器正常工作。因此必须外加一个驱动电路。由于本系统中只需要使用一个继电器，我们选用了三极管作为功率放大器件。具体电路图如图5所示。

在本系统中，我们要研究的是热电偶上的温度和加热时间的关系。由于热电偶上的电压很小（只有几毫伏左右），数据采集卡的采集精度不够，因此，必须在热电偶和数据采集卡之间增加电压放大电路，我们设计的电压放大电路图如图6所示。定时采用复合定时，参见图7。

4 系统功能的设计及实现

软件系统分为两部分：一部分是时间控制模块，包括上位机控制程序和单片机控制程序。它们通过串口进行通信。单片机控制程序采用C语言编写。另一部分是上位机的数据采集和处理模块，包括数据采集和数字滤波。

单片机是时间控制系统的核心，它接收上位机传送过来的控制信息，将其转化为电信号去控制继电器驱动电路。它是上位机到继电器驱动电路的联系纽带。系统上电后，首先进行复位，初始化。设置定时/计数器的工作方式（T/C0工作在定时器方式1，T/C1工作在计数器方式2） ，待接收上位机传输过来的字符。接收到后，将其转化为整数，并置计数初值，然后计时开始。与此同时，数据采集系统对热电偶的电压进行采集，采集后的数据用图示的方法表示出来。为了灵活控制定时时间，我们采用了复合定时的方法。使T/C0工作在定时器方式1，定时时间到后P1.0反相，即P1.0端输出周期为0.1s的方波脉冲。另设T/C1工作在计数器方式2，对T1输入的脉冲计数，当计数滿预定次数时，定时时间到，P1.7端将会反相。这样，通过T/C0的中断服务程序使P1.0反相并重新装载计数初值；T/C1的中断服务程序使P1.7反相，并在定时时间结束关闭激光器。

单片机时间控制系统配合pc机应用程序来控制激光器加热电路的开合，时间间隔为0～25s。电路闭合时，激光器对上述的模拟环境加热，从而引起热电偶温度的变化，使热电偶的电压也随之改变。热电偶数据采集采用PCI-9111采集卡，PCI-9111采集卡是一种基于32位PCI总线结构的高级数据采集卡，系统提供有数据采集接口。通过对采集接口编程得到热电偶温度与电压之间的关系，由热电偶与温度的对应关系得到热电偶的温度分布，从而模拟出混合记录放大模型的热效应。