摘 要：就单片机测控技术应用于平板导热系数仪的研制提出了应用方法，介绍了串行A/D转换器TLC2543与单片机的硬件连接，热电偶信号的冷端补偿方法以及高精度运算放大器ICL7650的应用，对数字PID算法提出了新的应用方式。
关键词：平板导热系数;TLC2543;ICL7650;数字PID
0 引言
平板导热系数仪是根据GB 10294～10295-88《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法和热流计法》研制的。基于如下原理：在稳定条件下，防护热板装置的中心计量区域内，在具有平行表面的均匀板状试件中，建立类似于以两个平行匀温平板为界的无限大平板中存在一维恒定热流，通过测定稳定状态下流过计量单元的一维恒定热力量Q、计量单元的面积A、试件冷、热表面的温度差△T，可计算出试件的热阻R或导热系数λ。
热阻计算公式：R=A（T1-T2）/Q
其中： A――计量面积，m2
T1、T2――试件热面、冷面的温度平均值，K
Q――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）]
其中： d――试件平均厚度，m
我们采用了如图1所示结构制作装置：
其中：A-冷却单元
B-试件
C-热计量单元，（主加热单元）
D-防护单元
E-背防护单元
当主加热器的热量不能沿护加热环板方向传入和传出时，主加热器的热量只能沿试件方向导出。随加热时间不断延长，热面温度t1和冷面温度t2不再随时间发生变化，这时主加热器的热量只能沿试件方导出，这种情况下为稳定导热。此时根据上述公式计算出试件的热阻或导热系数。
1 测控系统的组成
本控制系统由以下几部分组成：
1.1 直流稳压电源：用于向主加热单元提供加热电压，由操作者手动控制，设有粗调和细调两种调节旋钮。
1.2 防护加热单元：用于对防护单元的加热，由交流电源经可控硅整流向防护单元加热，可控硅的导通角由单片机控制，使护加热单元温度跟踪主加热单元的温度。实现主加热单元热量的一维传递。也可由人工进行手动跟踪。
1.3 单片机测控系统：应用MCS-51系列单片机，实现对多路温度的采集与显示，主加热单元功率的测量显示，护加热单元温度的跟踪以及人机界面的交互。
2 单片机测控系统
单片机测控系统框图如图2所示，共分为以下几部分：
2.1 多路数据检测：
本仪器共有8路热电偶、一路电压信号、一路电流信号的数据检测。应用串行AD转换器TLC2543进行转换，TLC2543是美国TI公司生产的12位开关电容型逐次逼近数模转换器，具有11路模拟输入，内建采样保持器和片内时钟系统，最大转换时间10us,它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与AT89C51进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。图2所示即为一种简单可靠的应用，单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分别与TLC2543的I/O时钟、数据输入、数据输出、片选信号相连，编程时按照参考资料[1]中所示时序，在I/O电平作用下依次进行数据的输入和读出即可。有关TLC2543的操作介绍有很多资料，读者可参考有关书籍。
本应用中，为了降低电路成本以及电路的漂移带来的误差，我们减少了下面所述的热电偶调理电路，对于8路热电偶信号没有进行单独的信号调理，而统一使用一个电路，为此，应用模拟开关我们构建了多路切换器，信号输出占用TLC2543的其中一路，另外再用2路作为主加热单元的电压及电流采集。
TLC2543的输入电压是0-5V，调理电路只需将弱信号放大到这个范围，若选用其他量程的AD转换器，例如AD1674的输入电压范围是0-10V或是0-20V，就相应的增加了调理电路放大倍数，工作起来很容易引起振荡。这也是我们选用此款AD转换器的理由之一。
2.2 护加热板温度自动控制:
为实现主加热板的热量实现一维传递，特设计了一套护加热板，在实际运行中要求护加热板的温度始终跟随主加热板温度。我们采取用交流电源加热的方式，进行手自动的跟随。
手动调节时用电位器在5V直流电压下的分压，控制可控硅模块的导通角，但同时该手动信号的电压值占用一路TLC2543的输入，单片机随时采集此信号，并将其转换成与下面所述的数字PID计算出的相应Ui信号，存储到相应单元，实现手动到自动的无扰动切换。
自动调节时应用单片机制作一套数字PID控制系统，该系统的温度给定来源于主加热板的实际温度。PID运算后的数据经D/A转换器转换后通过可控硅模块控制可控硅的导通角，来实现数字调节。
数字PID增量式算法的公式如下：
其中： Ui―― 本次计算输出
Ui-1――上一次计算输出
ei――本次计算的偏差值
ei-1――上一次计算的偏差值
ei-2――上两次计算的偏差值
T―― 采样周期，S
I―― 积分时间，S
D―― 微分时间，S
P―― 比例调节的比例带。
这里要特别说明的是：我们采用的P值与一般教科书上所讲的略有区别，一般教科书上把P称为比例系数，我们这里借鉴了过去DDZ-Ⅱ型仪表控制下的“比例带”概念，用 这个数据来代替比例系数，这样有如下两点好处：首先，在人机接口的输入下，只需输入两位整数，就能得到很精确的小数表示的比例系数;其次，对于曾经经历过仪表控制的操作人员来讲，输入数据更直观。
2.3 热电偶信号调理（图3）：
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，为此我们选取高精度斩波自稳零运算放大器ICL7650，构成两级运算放大器，每级放大倍数小于40倍，在放大器反馈回路并联一几百皮法的电容，可有效防止电路的振荡，又不会影响电路的工作状态。ICL7650除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点，利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，所以常被应用于热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的电路中。应用中图3所示的C3、C4两个电容即在动态校零中起关键作用，要选择稳定性能较好的CBB电容。
热电偶冷端补偿采用温度器件AD590，其内部采用激光修刻技术制作，使得环境温度每变化1℃时，输出电流精确变化1uA，此电流流经固定电阻（阻值取决于热电偶的塞贝克系数），产生压降，将此电动势加到热电偶输入端，实现冷端补偿。因为AD590使用K氏温度标定，故在本应用中前级放大电路采用差动放大的形式。校正时只需将热电偶输入端短路，将AD590置于冰水混合物中，调整基准电压，使得放大电路的输出为零，以后随着环境温度的变化自动补偿。在精度要求不高的场合，可用温度计测出温度，然后计算出流经R0的电压，再调整基准电压使二者相等亦可。
人机接口：本装置我们采用了4×4键盘作为输入，北京拓普公司生产的5吋单色液晶显示器作为输出。所有工况数据均显示在一个屏幕上，操作采用汉字提示，参数修订直观。操作者不需进行任何开关的切换便能对整个工况一目了然，系统达到稳态时只需按下一个按钮，单片机便能将所测定的材料的导热系数、加热系统的电功率计算并显示出来。
3 结束语
综上所述可看出，将日臻成熟的单片机测控技术应用于其他产业领域，对产业的促进会起到巨大的推动作用，经过近二十年的发展，单片机技术已日臻完善，编程语言多样化，新颖器件不断出现，用微处理器改革单一的数字仪表，形成智能化已成大势所趋。本应用里只需在单片机系统中增加一片通讯器件，对软件略做增加，就能实现和计算机的数据通讯，利用计算机强大的数据计算及数据管理能力进行待测试件的数据分析与统计。
参考文献：
[1] 杨振江等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社;2001.
[2] 丁元杰.单片微机原理及应用[M].北京：机械工业出版社
[3] 吴祖国.ICL7650斩波稳零运算放大器的原理及应用 [J].国外电子元器件，2003，4:41-42.