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基于单片机的导热系数测试仪

2008年4月 保定学院学报 Apr.2008 第21卷第2期 JOURNALOFBAODINGUNIVERSnY VoL21No.2 文章编号:1674.2494(2008)02.0026.03 基于单片机的导热系数测试仪 蔡淑珍,段书兴 (河北大学物理科学与技术学院,河北保定0r71002) 摘要:分析了控温过程及采用按插值信号的比例、积分和微分计算控制量的PID控制方法.将测温 计算法和PID控制方法应用于一种基于单片机设计的导热系数测定仪中.结合设计实际,对硬件电路、软 件方法及产品的性能进行较详细的分析. 关键词:热电偶;单片机;PID法;插值法 中图分类号:0551.2 文献标识码:A 传统的导热系数测定实验课,所用仪器为电位差计、计时器、温度计等,不便于单人单组操作,课后还有大 量的数据需查表和计算.这样费时费力,往往使学生把大量的时间花在数据的处理上而忽略了实验的主旨,也不 适合现代化教学的要求.虽然在稳态平板法导热系数测定中,有人引入PID温度控制器,但普遍使用间断加热调 功的方法,存在温度振荡、稳定性差、过冲大等缺陷.本研究采用高性能单片机进行数据的采集与处理、数字PID 运算、实时时钟、通用串口,简化了控制线路,大大降低了成本,并且容易实现多次的测量和上位机通讯,方便数 据的处理、存档、打印等.本研究还采用了半导体加热器件和恒流源组成控温电路,控制加热温度,使动态和静态 特性得到明显改善、温度更加稳定,精度可达±0.Ol℃. 1硬件电路组成及工作原理 本系统的硬件电路由高性能单片机C8051F020、K型铜一康铜 l测温电路卜_一C8051F 温差电偶传感器、高精度低温漂运算放大器AD620、实时时钟电 一图形液晶显示 020 路、键盘电路及液晶显示电路、控温电路组成,其结构框图如图1 所示. l实时时钟卜_一 茧 一通用串口通讯 C805lF020高性能单片机:采用25MIPs高速流水线式结构, 片 70%的指令为单周期,最大不超过8个时钟周期,集成的混合信号I键盘电路卜_一 机 —一控温电路I Oil 片上系统SOC(systemchip)具有与MCS一5l内核及指令集完全 图I硬件结构框图 兼容的微控制器,除了具有标准8051的数字外设部件之外,片内 还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件.该系列单片机是真正能独立工 作的片上系统SOC,所有模拟和数字外设均可由用户固件配置为使能或禁止,可以关闭单个或全部外设以节 省功耗.应用C8051F020单片机可提高本系统的整体性能,同时又使得系统的外围电路得以简化. 测温电路和控温电路:测温电路由温度传感器和AD620运算放大器及片内模数转换器组成;控温电路由片 内12位DA转换器、运算放大器和大功率管及半导体加热器组成[11.控温电路通过键盘设定预定温度值,温度传 感器测得当前实际温度值,按给定算法将二者进行比较处理,得到的数字量经DA转换器转换为模拟量送运算 放大器放大处理,再通过运放驱动大功率管来控制加热器,从而实现控温. 位机通讯. 图形液晶显示:本系统外扩1块128x64点阵的液晶显示模块,实现多级交互式菜单,用来满足显示丰富的信 收稿日期:2008-03—16 作者简介:蔡淑珍(1966-)。女,河北顺平入,剐教授,主要从事自动化研究与教学. 万方数据 蔡淑珍,段书兴:基于单片机的导热系数测试仪 息量及参数的标定和修改.该模块的使用一方面使得人机界面的显示变得友好,另~方面又使得显示与 C805

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