基于单片机的导热系数测试仪的系统设计浅谈

杨杰

（华北制药集团先泰药业有限公司，河北 石家庄 050100）

在日新月异的今天，计算机技术已经广泛应用于社会的各行各业，为科研和生产的发展带来了重大飞跃。其中单片机更是广泛应用到人们的工作、学习生活等各个领域，并成为当今科学技术现代化发展的重要工具。单片机朝着超小型、超低功耗、低成本发展，它们不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能价格比。由于单片机技术的飞速发展和广泛应用给我们提出了一个新的课题和发展方向，因此，我们同样要学好、学精“硬件”应用，所谓“软硬兼备”。这样在今后的学习和工作中才能更加深入地了解电子技术的原理与综合应用，才能更好地从更高的层次应用发展电子技术，才能为社会创造更大的财富。当今社会需要越来越多的复合型人才，尤其是电子技术人才，不仅可以进行信息检测、开发软件、编程序、设计电路版、进行图形设计处理，而且能深入了解单片微型计算机的组成原理与应用，辅之自动控制原理与应用，还要培养自己的亲自动手实践与综合能力，达到“软，硬”件结合。

本设计采用PIC16F877 系列单片机设计导热系数测试仪，对绝缘材料的导热系数进行自动测试，包括高精度温度自动检测，护板温度控制，导热系数的计算等。要求应用K型热电偶进行测温，实现高精度的温度检测，要求达到GB 要求，分辨出0.1℃。具有护加热板的温度手、自动控制。用液晶显示温度值。本设计的主要问题在于数据采集回来转换精度，具有温度的历史记录，以及手动具有手自动切换功能的设计。绝热材料导热系数测量基于一维稳态传热原理，测出试件冷热面的平均温度（TC、TH）和稳态加热功率（P），由下式即可计算出导热系数：λ ＝Pd/A(TH-TC),试件的热阻为R((TH-TC)·A/Q),其中d 为试件厚度，A 为试件对应主加热器部分的横截面积。整个测量系统主要由炉体和温度、功率测控系统两部分组成，炉体按国家标准的要求加工制造，而温度、功率测控系统则随着电子技术的发展不断更新。为了使设计的电路硬件及软件系统更好地发挥作用，下面将进行设计方案的论述讨论。

1 平板导热系数的开发设计方案

方案一：双试件；方案二：单试件。

双试件式装置中，在两个几乎相同的试件中加1 个加热单元，试件外侧各设1 个冷却单元。热流由加热单元分别经过两侧试件传给两侧冷却单元。绝热材料两表面温度差为零，无热流通过。为了便于实验室之间比较，推荐装置的尺寸系列如下：直径（或边长）为0.3m；直径（或边长）为0.5m；直径（或边长）为0.2m(仅用于测定匀质材料)；直径（或边长）为1.0m(仅用于测定厚试件)。综合以上考虑，方案二中测定双试件导热系数，然后再求平均植，则比方案一求得的导热系数准确。为了保证测量的精度，保证设计的要求，选取方案二进行设计。

2 基本原理

使用PID 电路实时控制冷、热板的温度，建立类似于以2个平行匀温平板为界的无限大平板中存在的一维恒定热流，使试件的两表面之间出现温差，产生热流量。通过计算机采集稳定状态下流过计量单元的一维恒定热流量Q（W）、试件冷、热表面的温度差T 应用下列公式，计算出试件的热电阻R（m2·K/W）、导热系数λ（W/m·K）：

热阻计算公式：R=A（T1-T2）/Q；

式中：A 为计量面积，m2；T1为试件热面温度平均植，K；T2为试件冷面温度平均植,K；Q 为加热单元计量部分的平均热流量，W。

导热系数计算公式：λ=Qd/[A（T1-T2）]

式中：D 为试件平均厚度，m。

3 基本技术性能

根据新型节能建材检测的要求，开发出一套相应的软件。当测定温度接近室温时，测量准确度不大于±2%。在全部测量范围内，任何情况应得到不大于±5%的准确度。

保持装置内试件，不改变测定条件重复测定的重复性优于1%。被测试件的基本尺寸为500mm×500mm。

4 采样AD 转换器设计

方案一：进行AD 转换器扩展。不使用16F877 单片机自身内带AD 转换器，在印刷电路板上使用独立的12 位AD转换器，则测温的分辨率为1100/4096 大约为0.268，满足0.1 度分辨率的要求。方案二：使用16F877 单片机自身内带AD 转换器。如果使用16F877 单片机自身内带AD 转换器，可以达到测温的目的，但是由于测温范围在0~1100 内，16F877 单片机自身内带AD 转换器仅可以转换10 位二进制，其测量精度为1/1024，分辨率为1100/1024 大约为1.0742远远大于实际要求（分辨率0.1 度），故6F877 单片机自身内带AD 转换器不能够满足测温需求。综合以上考虑，选取方案一进行设计。根据设计要求以及方案论证，设计硬件框图如图1。

图1

本系统应用K 型热电偶，导热系数测定过程中通常温度范围小于100℃，为保证测量精度，热电偶线性化软件我们每隔5℃分一段，并且精确到小数点后两位。硬件调理电路截取K 型热电偶100℃的热电势4.095mv 作为输入满量程，放大到5V，提供给AD 转换器，要求调理电路放大倍数达1200 多倍，为此我们选取了低价格、低功耗的仪用放大器AD620，它只需一只外部电阻就可设置1 ～1000 倍的放大增益。由于其输入端采用了超β 处理技术，使AD620 有较低的输入偏置电流、较高的建立时间和较高的精度，同时具有低噪音、低输入偏置电流和低功耗的特性，所以用于精确的数据采集系统是较为理想的器件。对热电偶信号进行冷端补偿的方法很多，我们采取了电子补偿方法，采用美国DALLAS 公司生产的温度传感器件DS18B20，这是在其前代产品DS1820 的基础上推出的单线数字化温度传感器，可直接将温度信号转换成数字信号，由单片机串行读出。在采集温度的设计中使用了AD7888 来采集电压信号，采样和转换过程使用的都是内部时钟和内部基准电压源。工作时，由单片机产生CS信号以控制转换过程，并用EOC 信号作为外部中断源来触发单片机的INT/RB0 中断。单片机在响应中断后将产生串行时钟SCLK 和片选信号CS，并从DOUT 引脚读取转换结果。

5 结语

导热系数仪的分析与设计，必须和具体实际相结合。只有这样，我们的导热系数仪的开发和设计才能真正的服务社会，从而得到最佳的实践应用效果。一个导热系数仪的设计，不可能一步到位，还需要不断完善和补充。本文仅仅是对设计方案及主要硬件选型进行了简要分析，导热系数仪的设计工作并没有完全结束，还有一些功能有待完善，这需要在日后的工作中继续进行。