智能导热系数测试仪测控系统的毕业设计.doc

优秀毕业设计摘 要导热系数是表征物质热传导性质的物理量，材料结构的变化与所含杂质的不同对导热系数值都有明显的影响。导热系数作为衡量建筑材料保温性能，表征料传热能力的重要指标一直为人们所重视，材料的导热系数经常需要由实验具体测定，目前大多使用电位差计和电流计来人工测定计算导热系数，其缺点是自动化程度低、通用性差、调节过程复杂、测试结果容易受到人为因素的影响。随着我国经济和科学技术的发展，新产品、新材料不断涌现，工业、农业、建筑、地质、等部门对新产品、新材料的导热系数测量越来越多，精度要求也越来越高，面对科研、生产的高要求，用微机和智能控制方法构成的一种新型的数字测控系统十分必要，智能导热系数的测控系统提高了保温材料特性测试的自动化和智能水平，同时提高了测量的效率和测试的精度，减轻了人员的劳动强度。本次设计的任务是智能导热系数测试仪测控系统的设计。本测控系统主要功能是通过加热模块对被测保温（绝热）材料的两侧进行加温。当两侧温度达到稳定时，形成稳定的温差。该温差形成一个稳定的热流通过被测材料。根据此温差和材料的几何尺寸等参数和计算公式就可计算得出该材料的导热系数。因此，本设计任务主要包括：材料两侧的温度测量、温度控制、稳温状态的判定和导热系数的计算、被测材料几何参数的输入、导热系数结果的显示等。通过任务分析、方案比较确定和电路设计，较好的实现了导热系数测试仪测控系统的设计任务。关键词：微型处理器，导热系数，智能，温度控制，功率驱动目 录第一章、绪论第二章、导热系数的测试方法和测试原理21导热系数的测试方法211 稳态方法测量法212动态（瞬时）测量法22导热系数的测试原理23影响绝热材料导热系数的主要因素第三章、专用电炉的设计第四章、智能导热系数测试仪硬件系统的设计 41 上位机42 下位机421 模/数转换器422 数/模转换器423 温度传感器424 信号放大电路425 温度控制电路第五章、智能导热系数测试仪软件系统的设计51软件功能分析52面板设计及软件程序框图第六章、系统通信的设计61 系统总线的简介62上下位机之间的通信总线的选择与实现63 PI总线的特点和PI-BIU的设计流程第七章、智能导热系数测试仪整机操作说明结语与谢辞参考文献第一章、绪论 导热系数作为衡量建筑材料保温性能，表征料传热能力的重要指标一直为人们所重视，材料的导热系数经常需要由实验具体测定，目前大多数的人工测定计算导热系数，其缺点是自动化程度低、通用性差、调节过程复杂、测试结果容易受到人为因素的影响。因此，没有先进的计算机技术，复杂的测控系统是难以实现的。本设计属于典型的稳态法平板式导热系数测定法 对试块和专用电炉的应用来讲，符台无限大平板式稳态测量原理，满足稳态傅立叶导热公式的应用条件。电炉设计合理，尤其其升温速率很快，这样可以缩短测量周期，是本仪器的特色之一。固为使用了微机技术，可对各种金属、非金属进行 测量。其量程广泛，是本仪器特色之二。固为在单片机上使用了LabVIEW 软件包，不仅实现了软件代替硬件的原则，而且极大降低了编程时间。两个月底层编程时间可以缩减到十天，而且程序易于修改和链接本仪器从压一次“自动升温”虚拟按键开始，直至打印出测量结果，全部实现微机自调和管理，无需人工干预。可知，本设计是一套复杂的闭环测控系统。总之，本仪器是一台高质量，高速度和全自动化的新产品，在各行各业中有广泛的应用前景。第二章、导热系数的测试方法和测试原理 21 导热系数的测试方法211 稳态方法测量法热流法导热仪：将厚度一定的方形样品（通常长宽各30cm，厚10cm）插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。图2.1示出了一种新型的热流法导热仪。样品的厚度可达到10cm，长与宽为30到60cm之间。这种仪器能测量导热系数在0.005到0.5W/mK之间的材料，通常用于确定玻璃纤维绝热体或绝热板的导热系数与k因子。选用不同类型的仪器，能够在-20到100之间测量。该方法的优点是易于操作，测量结果精确，测量速度快，但是温度与测量范围有限。图2.1 NETZSCH HFM436 Lambda 热流法导热仪图2.1 NETZSCH HFM436 Lambda 热流法导热仪，能在中等温度下对中低等导热系数材料进行测量分析。保护热流法导热仪：对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流法导热仪。其测量原理几乎与普通的热流法导热仪相同。不同之处是测量单元被保护加热器所包围，因此测量温度范围和导热系数范围更宽。保护热板法导热仪：热板法或保护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。保护热板法的测量原理如图2.2所示。热源位于同一材料的两块样品中间。使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流，并使加热器的能量被测试样品完全吸收。测量过程中，精确设定输入到热板上的能量。通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。辅助加热器后是散热器，散热器和辅助加热器接触良好，确保热量的移除与改善控制。测量加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度，应用Fourier方程便能够算出材料的导热系数。 图2.2 （保护）热板法导热仪结构原理图相比热流法，保护热板法的优点是温度范围宽（-180到650）与量程广（最高可达2W/mK）。此外，保护热板法使用得是绝对法无需对测量单元进行标定。212 动态（瞬时）测量法 动态测量法是最近几十年内开发的导热系数测量方法，用于研究高导热系数材料，或在高温度条件下进行测量。动态法的特点是精确性高、测量范围宽（最高能达到2000）、样品制备简单。热线法：热线法是在样品（通常为大的块状样品）中插入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身的或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系，所以测定它是导热系数一种测量方法。测量热线的温升有多种方法。其中交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升。平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升。热阻法是利用热线（多为铂丝）电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。待测样品的导热系数大小是选择正确方法的重要参考因素。交叉线法适用于导热系数低于2W/mK的样品，热阻法与平行线法适用于导热系数更高的材料（测来囊先分别为为15 W/mK与20W/mK）。某些热线法仪器可以使用上述全部三种方法。某些热线法仪器的测试温度范围为室温至1500。测试时将样品加热到所需的温度，待样品温度稳定后，就能开始进行热线测量。这一方法能够测量体积较大的样品，能对不均匀的陶瓷材料与耐火材料进行测试。闪光扩散法：闪光扩散法，又称为激光闪射法，是一种用于测量高导热材料与小体积样品的技术。该方法直接测量材料的热扩散性能。在已知样品比热与密度的情况下，便可以得到样品的导热系数。闪光扩散法能够用比较法直接测量样品的比热；但推荐使用差示扫描量热仪，该方法的比热测量精确度更高。密度随温度的改变可使用膨胀仪进行测试 。应用闪光扩散法时，平板形样品在炉体中被加热到所需的测试温度。随后，由激光仿生器或闪光灯产生的一束短促(1ms)光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散，使样品背部温度的上升。用红外探测器测量温度随时间上升的关系。必须注意，重要的是测量信号随时间的变化，测量信号的绝对高度并不重要。图2.3一种新型激光导热仪（NETZSCH LFA427）图2.3是一种新型的激光闪射仪的示意图。Nd:GGG-激光头位于仪器下部位，产生的激光脉冲介于0.2到1.2ms之间，最大能量可达25J。样品放置在管状炉体中央的样品支持器上。不同类型的炉子可达到的最高测试温度不同，最高可达2000（石墨炉体）。用InSb检测器测量样品背部的温升，该检测器位于系统的顶部。仪器的垂直结构确保了良好的信噪比与样品形状的灵活性。该仪器既能够测量液体与粉末样品，也能测量不同几何形状的固体样品。 图2.4为另一种闪光扩散法导热仪，用于分析在电子工业中作为散热片或包装材料的陶瓷材料。这一仪器测量温度较低，最高300。图2.4 NETZSCH LFA 437 激光导热仪图2.4 NETZSCH LFA 437 激光导热仪，能够对电子工业中用作散热片与包装材料的陶瓷材料进行分析。由于其精确度高（3）与所需样品尺寸小，闪光扩散法已经进入陶瓷工业研发与质控的许多领域。这一方法的成功主要应归因于其测量时间短 仪器在一天以内能从室温升至2000。闪光扩散技术的应用领域十分广泛，从导热系数小于0.05W/mK的压制纤维板，到导热系数大于2000W/mK的金刚石。该法还能测量多层系统，如对于涡轮叶片上的热保护涂层的检测。22 导热系数的测试原理本仪器所依据的原理是1882年由法国数学、物理学家约瑟夫傅立叶给出的，称热传导的基本公式，又称傅立叶导热方程式。该方程式指出，在物体内部，垂直于导热方向上，二个相距为h，温度分别为1、2的平行平面，若平面面积为A，在t秒内，从一个平面传到另一个平面的热量Q，满足下述表示式： 式中Q/t为传热速率，定义为该物质的导热系数，亦称热导率。由此可知，导热系数是一表征物质传导性能的物理量。其数值等于相距单位长度的二平行平面。当温度相差一个单位时，在单位时间内通过单位面积的热量。其单位名称是瓦特每米开尔文，单位符号为W/mK。 导热系数的测量表明，统一材料的导热系数值并非一个常数，在不同的温度下值存在不同的量值；而且值是一个复合物理量，测量值的仪器一定是一个在热激励下的符合参数测量仪。简言之，导热系数的获得主要依靠实际测量之后才能得到。上述种种原因导致导热系数测量仪生产一直受到局限。 直到当代新型微机技术的深入发展才为之提供一个新的发展时期。本文研究的导热系数测量仪正是利用高新技术以满足工业上的需要。 其中在单片机上使用虚拟仪器平台技术，简化了软件编程，提高了仪器的性能。时间表明，如果不使用新型微机技术，这种性能的提高是不能实现的。23 影响绝热材料导热系数的主要因素1、温度温度对各类绝热材料导热系数均有直接影响，温度提高，材料导热系数上升。2、含湿率所有的保温材料都具有多孔结构，容易吸湿。当含湿率大于5%10%，材料吸湿后湿分占据了原被空气充满的部分气孔空间，引起其有效导热系数明显升高。3、容重容重是材料气孔率的直接反映，由于气相的导热系数通常均小于固相导热系数，所以保温材料都具有很大的气孔率即很小的容重。一般情况下，增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降。4、松散材料的粒度常温时，松散材料的导热系数随着材料粒度减小而降低，粒度大时，颗粒之间的空隙尺寸增大，其间空气的导热系数必然增大。粒度小者，导热系数的温度系数小。5、热流方向导热系数与热流方向的关系，仅仅存在于各向异性的材料中，即在各个方向上构造不同的材料中。传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些；同样，具有大量封闭气孔的材料的绝热性能也比具大量有开口气孔的要好一些。气孔质材料又进一步分成固体物质中有气泡和固体粒子相互轻微接触两种。纤维质材料从排列状态看，分为方向与热流向垂直和纤维方向与热流向平行两种情况。一般情况下纤维保温材料的纤维排列是后者或接近后者，同样密度条件下，其导热系数要比其它形态的多孔质保温材料的导热系数小得多。6、填充气体的影响绝热材料中，大部分热量是从孔隙中的气体传导的。因此，绝热材料的热导率在很大程度上决定于填充气体的种类。低温工程中如果填充氦气或氢气，可作为一级近似，认为绝热材料的热导率与这些气体的热导率相当，因为氦气和氢气的热导率都比较大。7、比热容绝热材料的比热容对于计算绝热结构在冷却与加热时所需要冷量（或热量）有关。在低温下，所有固体的比热容变化都很大。在常温常压下，空气的质量不超过绝热材料的5%，但随着温度的下降，气体所占的比重越来越大。因此，在计算常压下工作的绝热材料时，应当考虑这一因素。8、线膨胀系数计算绝热结构在降温（或升温）过程中的牢固性及稳定性时，需要知道绝热材料的线膨胀系数。如果绝热材料的线膨胀系数越小，则绝热结构在使用过程中受热胀冷缩影响而损坏的可能性就越小。大多数绝热材料的线膨胀系数值随温度下降下降而显著下降。第三章、专用电炉的设计导热系数必须在加热的状态下才能测出。本文选用稳态平板法专用电炉。它测量范围广，精度高，也易于生产。再者，这种方法是许多国家的标准测试方法，应用最多，我国也有稳态平板法的军用方法。 A BCD E F A,F恒温水域水套 B被测材料的试块 C,D,E由三组电炉丝组成的电炉 图3.1电路内部结构式意图图3.1给出了专用电炉的内部结构图。为了准确测量电炉对试块B中的热流速率，本文设计主炉丝C,底炉丝E,和边炉丝D三个炉丝。当在若干特定点上测量三个炉丝温度相等时，上部得主炉丝发挥热量全部向上面的试块B传递，并在B中形成热流密度。所以试块中的热流密度可以由主炉发挥功率和材料尺寸计算。总之电炉整体设计满足傅立叶导热公式的应用条件。 图3.1中试块B放在电炉中间，以传导热量 ，最终热量被图3.1中水套吸收掉。 实际上，在电炉内部和试块上下表面安装九支热电偶，用来测定三个炉丝升温和恒温状态，以及测定试块上下表面温度差。再经过多次计算机误差补偿后，便可以及算和显示出导热系数值。有此可知，这种电炉结构完全可以在试块内部形成一个稳定线性的一维温度场，保证了测量的精度和稳定度。 专用电炉需用保温材料仔细密封。电炉的升温于恒温及等温则由计算机严格按PID调节方式分别给予控制。（为方便起见，下文的系统硬件结构图中的电炉仅由两平板表示。）第四章、智能导热系数测试仪硬件系统的设计系统总体结构图可简化为图4.1。图4.1系统总体结构图原理说明：当电炉对下板加热，AD590温度传感器将温度信号转化为电信号，送放大器放大，由模数转换器ICL7135转化为电信号，ICL7135.输出动态扫描BCD码，其时钟信号由单片机的ALE信号（1MHz）经8155分频为100kHZ信号供ICL7135使用，基准源由MC1403提供2.5V的电源，再有10k电阻分压，获得高稳定度的1V基准源。ICL7135输出有STB信号，它在一次转换中产生5个负脉冲，将其作为中断信号一边读取数据。41 上位机上位机作为一个智能监控系统,对总线与各下位机进行统一管理,完成智能控制,智能 诊断与人机交互的操作。本文中的上位机既是用微机的显示器显示导热仪的前面板，包括开关，按键，指示灯，数码显示和操作提示，允许用鼠标或微机键盘对虚拟面板直接操作。 42 下位机下位机是一个通过总线与上位机连接,采集工作过程的数据信号。这里选用MCS-51系列单片机中的87C54。87C54是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS III-E工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了象时钟输出、向上或向下计数等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。87C54内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、16k片内程序存储器（EPROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，87C54还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。87C54有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。 图4.2 87C54芯片图主要功能特性： 标准MCS-51内核和指令系统 片内16kROM(可扩充64kB外部存储器) 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器) 3个16位可编程定时/计数器 时钟频率3.5-12/24/33MHz 向上或向下定时计数器 改进型快速编程脉冲算法 6个中断源 5.0V工作电压 全双工串行通信口 布尔处理器 帧错误侦测 4层优先级中断结构 自动地址识别 兼容TTL和CMOS逻辑电平 空闲和掉电节省模式 PDIP(40)和PLCC(44)封装形式下位机系统还包括模/数转换器，数/模转换器，温度传感器，运算放大器，温度控制电路。将在以下几节介绍。421 模/数转换器 本设计中采用ICL7135模/数转换器。ICL7135具有20000个数的分辨率，而且有BCD码和STB选通信号输出，与微机接口十分方便，本文是利用ICL7135的“busy”输出信号与单片机MCS-51衔接。 在小型化仪表中，应该以最少的元件完成尽可能多的任务，8031需外接EPROM，剩下的16个I/O口是十分宝贵的。如果利用ICL7135的BCD码和STB选通信号就要占5个I/O口，而利用ICL7135的“busy”端，只要一个I/O和8031内部的一个定时器就可以把ICL7135的数据送入单片机。 为了便于读者理解，首先介绍ICL7135的“busy”端的功能。ICL7135是以双积分方式进行A/D转换的电路。每个转换周期分为三个阶段：图4.3“busy”输出波形1.自动调零阶段2.被测电压积分阶段3.对基准电压进行反积分阶段 以输入电压Vx为例，其积分器输出端（ICL7135的4脚）的波形如图4.3所示。“busy”输出端（ICL7135的21脚）高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，利用“busy”作为计数器门控信号，控制计数器只能在busy为高电平时计数，将这段busy高电平时间内计数器的内容减去10001，其余数便等于被测电压的数值。 图4.4是MCS-51定时器的逻辑框图，如果我们把T0规定为模式1定时器方式。定时器控制端（8031的12脚）接ICL7135的“busy”端。这样就能实现计数器由“busy”控制对单片机1/12时钟频率的计数要求。 图4.5 ICL7135与8031的接口电路图4.4定时器TO在MODE1 时，其长度为16位 图4.5是ICL7135与单片机MCS-51通过“busy”接口的电路图。若8031的时钟采用6MHz晶体，在不执行MOVX指令的情况下，ALE是稳定的1MHz频率，经过4分频可得到250kHz的稳定频率，传给ICL7135时钟输入端，使ICL7135的转换速率为每秒6.25次，选取这一转换速率，一方面照顾ICL7135A/D转换的精度，另一方面为了尽量少占用8031的资源。定时器为16位计数器，最大计数值65535。在6.25次/秒转换速率条件下，满度电压输入时，busy宽度为30001个时钟脉冲。再结合图1和图2可知，8031内部定时器的输入频率是500kHz，比ICL7135的时钟频率（250kHz）高1倍，在满度电压输入时，定时器计数值为30001x2=60002。不超过定时器最大值。在“busy”高电平期间定时器的数值除以2，再减去10001，余数便是被测电压的数值。具体程序如下：422 数/模转换器本设计中采用的DAC0832为电压输入、电流输出的R-2R电阻网络型的8位DA转换器，DAC0832采用CMOS和薄膜Si-Cr电阻相容工艺制造，温漂低，逻辑电平输入与TTL电平兼容。DAC0832是一个8位乘法型CMOS数模转换器，它可直接与微处理器相连，采用双缓冲寄存器，这样可在输图4. 6 DAC0832的内部功能框图出的同时，采集下一个数字量，以提高转换速度。DAC0832的内部功能框图如图4.6所示，外引线排列如图4.7所示。 图4.7 DAC0832的外引线排列图DAC0832主要由3部分构成，第一部分是8位DA转换器，输出为电流形式；第二部分是两个8位数据锁存器构成双缓冲形式：第三部分是控制逻辑。计算机可利用控制逻辑通过数据总线向输入锁存器存数据，因控制逻辑的连接方式不同，可使DA转换器的数据输入具有双缓冲、单缓冲和直通3种方式。当WR1、WR2、XFER及CS接低电平时，ILE接高电平即不用写信号控制，使两个寄存器处于开通状态，外部输入数据直通内部8位DA转换器的数据输入端，这种方式称为直通方式。当WR2、XFER接低电平，使0832中2个寄存器中的一个处于开通状态，只控制一个寄存器，这种工作方式叫单缓冲工作方式。当ILE为高电平，CS和WR1为低电平，8位输入寄存器有效，输入数据存入寄存器。当DA转换时，WR2、XFER为低电平，LE2使8位DA寄存器有效，将数据置入DA寄存器中，进行DA转换。2个寄存器均处于受控状态，输入数据要经过2个寄存器缓冲控制后才进入DA转换器。这种工作方式叫双缓冲工作方式。 DAC0832管脚定义说明如下： ：片选输入端，低电平有效，与ILE共同作用，对WR1信号进行控制： ILE：输入的锁存信号(高电平有效)Q当ILE=1且CS和WR1均为低电平时，8位输入寄存器允许输入数据；当ILE=0时，8位输入寄存器锁存数据。 ：写信号1(低电平有效)，用来将输入数据位送入寄存器中；当=1时，输入寄存器的数据被锁定；当CS=0，ILE=1时，在为有效电平的情况下，才能写入数字信号。 ：写信号2(低电平有效)，与XFER组合，当和均为低电平时，输入寄存器中的8位数据传送给8位DAC寄存器中；=1时8位DAC寄存器锁存数据。 ：传输控制信号，低电平有效，控制WR1有效； D0D7：8位数字量输入端，其中D0为最低位，D7最高位。 IOUT1：DAC电流输出1端，当DAC寄存器全为1时，输出电流IOUT1为最大：当DAC寄存器中全都为0时，输出电流IOUT1最小。 IOUT2：DAC电流输出2端，输出电流IOUT1IOUT2常数； RFB：芯片内的反馈电阻。反馈电阻引出端，用来作为外接运放的反馈电阻。在构成电压输出DAC时，此端应接运算放大器的输出端； VREF：参考电压输入端，通过该引脚将外部的高精度电压源与片内的R-2R电阻网相连，其电压范围为-10+10V； VCC：电源电压输入端，电源电压范围为+5+15V，最佳状态为+15V； DGND：数字电路接地端。 AGND：模拟电路接地端，通常与DGND相连。为了将模拟电流转换为模拟电压，需把DAC0832的两个输出端IOUT1和IOUT2分别接到运算放大器的两个输入端，经过一级运放得到单极性输出电压VA1。当需要把输出电压转换为双极性输出时可由第二级运放对VA1及基准电压VREF反相求和，得到双极性输出电压VA2如图4.8所示，电路为8位数字量D0D7经DA转换器转换为双极性电压输出的电路图。图4.8 DA转换双极性输出电路图第一级运放的输出电压为：其中，D为数字量的十进制数第二级运放的输出电压为：当R1=R2=2R3时，则423温度传感器1、AD590简介本设计采用温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：（1）、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中： 流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。（2）、AD590的测温范围为-55+150。（3）、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。（4）、输出电阻为710MW。图4.9 的及基本应用电路（5）、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3 。2、AD590的应用电路（1）、基本应用电路图4.9a是AD590的封装形式，图4.9b是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kW时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。或在室温下(25)条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度。（2）、摄氏温度测量电路图4.10 用于测量摄氏温度的电路 如图4.10所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出VO=0，然后在100时调整R4使VO=100mV。如此反复调整多次，直至0时，VO=0mV，100时VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么VO应为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。要使图4.10中的输出为200mV/，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/，则调整反馈电阻约为180kW，使得温度为0时， VO=17.8mV；温度为100时，VO=197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。 424 信号放大电路在许多需要A/D转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个信号放大电路对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，这种情况下，就必须选择一种符合要求的信号放大电路。仪表器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大电路，其实就是典型的差动放大电路。它只需三个廉价的普通运算放大器和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大电路。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量、医疗器械及其它数字采集的系统中。图4.11差动仪表放大电路 电路图参见图4.11。电路原理并不复杂。要使电路满足平衡，则R1=R2、R3=R4、R5=R6，因为每个运放的特性不可能完全一致，在A和A2的Pin1、Pin8我们增设了调零电位器VR1和VR2，这在实际的应用中是非常有用的。我们假设A1、A2的失配、失调电压和电流均为零的情况下，其差模电压增益为： 整个电路采用正负两组电源供电，这样可对正或负输入电压进行放大。电源电压一般可取515V，但对其稳定度有一定的要求。图4.11中的电容C用于除抖动和抗干扰，其取值应以实际的用途，根据放大的信号特性决定。 可选用的运算放大器相当多，如OP-07，OP-725，如果要求不高，甚至可选价廉的uA741等通用运算放大器。 美国模拟数字公司的AD625则集成了上述功能仪表放大电路，由于采用的集成电路技术，放大器的一致性较好，漂移低，性能更胜一筹，在要求较高的场合可以考虑选用。425 温度控制电路图4.12温控电路控温部分见图4.12，利用双向可控硅交流调压的过零触发控制，该方式是当固态继电器(MOC3041)有控制信号输入时，在交流电源电压为零附近使双向可控硅导通，将负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变通断时间比值达到交流调压的目的，实现对上板温度的制动调节。图4.12系统中R2是双向可控硅G极和T1极之间的分流电阻，保护双向可控硅不会因电压上升率过大而误导通，提高了工作电路的可靠性，R1为固态继电器输出端的限流电阻，R3和C1组成浪泳吸收电路，防止交流电源中的尖锋电压，浪泳电流对双向可控硅造成冲击和干扰。第五章、智能导热系数测试仪软件系统的设计51 软件功能分析虚拟仪器是指在单片机的硬软件基础上，利用各种专用的虚拟仪器软件包，直接建成用户所需的现实仪器。平台上附加硬件仅仅为了解决信号从总线接口上的输入和输出的问题 。仪器设计者主要通过图形化编程软件在屏幕上实现仪器面板设计，在微机上通过软件包实现仪器功能，以及实现信号采集、存储、运算、分析和输出。其中可以利用配套软件主要是NI公司的LabVIEW等软件包，目的是减小底层编程工作量。52面板设计及软件程序框图从Control Palette中调用各种所需的面板元件，如：按键、LED、旋钮等。在diagram 中用Tools Palette实现连线。面板设计示于图5.1。程序框图示于图5.2。 图5.1 恒温状态下的一个面板 图5.2程序框图 第六章、系统通信的设计61 系统总线的简介总线是连接计算机内部多个部件之间的信息传输线，是各部件共享的传输介质。多个部件和总线相连，在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信号，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。总线是由许多传输线或通路组成，每条线可传输一位二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一传输完成。若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码，如16条传输线组成的总线，可同时传输16位二进制代码。总线结构有如下几种形式：6. 1. 1 以CPU为中心的双总线结构图6.1以CPU为中心的双总线结构在这种结构中，存储总线（M总线）用来连接CPU和主存，输入/输出总线（I/O总线）用来建立CPU和各I/O之间交换信息的通道。各种I/O设备通过I/O接口挂到I/O总线上。这种结构在I/O设备与主存交换信息时仍然要占用CPU，因此会影响CPU的工作效率。 6. 1. 2 单总线结构 单总线(系统总线)图6.2单总线结构在这种结构中，将CPU、主存和I/O设备都挂到一组总线上， 形成单总线结构的计算机。这种结构最明显的特点就是，当I/O与主存交换信息时，原则上不影响CPU的工作，CPU仍可继续处理不访问主存或I/O的操作，这就使CPU工作效率有所提高。但是，因为只有一组总线，当某一时刻各部件都要占用时，就会出现争夺现象。 6. 1. 3 以存储器为中心的双总线结构这种总线是在单总线基础上，又单独开辟一条CPU与主存之间的通路，叫存储总线。这组总线速度高，只供主存与CPU之间传输信息。这样既提高了传输效率，又减轻了系统总线的负担，还保留了I/O与存储器交换信息时不经过CPU的特点。图6.3以存储器为中心的双总线结构62 上下位机之间的通信总线的选择与实现 基于USB的CAN总线适配器设计现场总线网络技术的实现需要与计算机相结合。以往CAN总线网络与计算机的连接采用RS232、ISA或PCI接口。但是随着计算机接口技术的发展，ISA接口已经逐渐被淘汰；RS232接口数据传输率太低；PCI虽然仍是高速外设与计算机接口的主要渠道，但其主要缺点是占用有限的系统资源、设计复杂、需有高质量的驱动程序保证系统的稳定，且无法用于便携式计算机的扩展。随着USB1.1、USB2.0 规范的相继制定，为外设与计算机的接口提出了新的发展方向。 USB的主要特点有：外设安装简单，可实现热插拨；通讯速率高，USB1.1全速传送速率为12Mbps，与标准串行端口相比，大约快100 倍；支持多设备连接；提供内置电源。本文给出一种在Windows2000 下使用USB1.1 协议实现CAN总线适配器的设计方法。整个设计主要开发适配器的固件及计算机的驱动程序、应用程序，以达到用USB接口连接现场CAN总线网络的目的。6. 2. 1 适配器硬件接口设计适配器硬件电路由微控制器、CAN总线接口、USB 总线接口和DC-DC 隔离电源模块等组成。原理框图如图6.4所示。图6.4总线适配器原理框图微控制器P89C51DR2是Philips 公司生产的增强型MCS-51 兼容单片机，片内集成64KB 闪存和1KB 扩展RAM，双数据指针，4级中断优先级,7个中断源，内置看门狗，可编程时钟输出，在6时钟模式下工作，速度是标准51 单片机的两倍。此时外部最高频率可达20MHz 。在高速、大程序容量、中小规模数据处理场合是一款非常理想的单片机型。CAN总线接口使用Philips 公司的独立CAN总线控制器SJA1000,并由光耦SN136进行总线隔离。SJA1000是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制，符合CAN2.0A和2.0B规范，最高速率可达1Mbps。CAN总线收发器采用PCA82C250。PDIUSBD12是Philips公司推出的全速USB 接口器件，完全兼容USB1.1 规范。图6.4 中D+ 引脚信号电平通过器件softConnect 命令内部上拉，从而向主机表示为一个全速设备。EOT引脚自动检测USB 接口的VBUS电压以确定USB 电缆是否连接到了主机。SUSPEND是双向引脚，用以向微控制器指示器件是否挂起。当有USB 总线事件发生时，引脚向微控制器发出中断信号。PDIUSBD12支持总线复用和非复用两种并行接口模式，以方便连接不同类型的微控制器。图6.4中采用总线复用方式，当用奇数地址访问PDIUSBD12时被认为是命令，偶数地址访问则被认为是数据读写。各器件都需要外部时钟信号，而且它们自身也都有可编程的时钟输出功能，这就给系统的时钟设计带来了便利。图6.4中微控制器在6 时钟运行模式下，外部为12MHz 晶振。 P89C51DR2的P1.0引脚产生6MHz 方波作为PDIUSBD12的输入时钟；通过PDIUSBD12的SetMode寄存器编程使CLKOUT 输出时钟频率为24MHz，作为SJA1000的外部输入时钟。6. 2. 2 软件设计软件设计包括微控制器的固件设计和计算机端USB驱动程序设计两部分。1 微控制器固件编程固件编程是USB数据传输系统中终端设备程序设计的一个重要概念。微控制器通过固件是程序与计算机进行数据交换。固件设计的目的是：使PDIUSBD12在USB上达到最大的传输速率；增加系统的可扩展性和硬件无关性。图6.5 SJA1000中断服务程序框图固件要实现的内容：一是对SJA1000初始化，接收CAN总线送来的数据，收集CAN网络状态信息，并将主机的数据下发到CAN网络；二是对PDIUSBD12初始化，完成USB总线连接过程，并组织CAN网络和主机之间的数据传送。设计中采用KeilC51软件编译环境，C51和ASM 混合编程方式。图6.5 SJA1000中断服务程序框图SJA10和PDIUSBD12都有完善的中断机制，微控制器可以通过读它们的中断寄存器获得总线事件。为了提高固件的运行效率，主程序对系统进行初始化后开放中断，在中断服务程序中对事件进行分析和必要的处理，并设置相应的变量标志和数据缓冲区。主程序则循环查询变量标志，调用相应的子程序进行处理。这种程序结构使得主程序能够在前台处理各种数据传送任务，同时又可以通过中断在后台及时处理总线事件。（1）CAN 协议实现SJA1000支持BasicCAN 和PeliCAN 两种协议模式。在适配器设计中采用了BasicCAN模式。中断设为电平中断方式，SJA1000中断服务程序框图如图6.5所示。（2）USB1.1 协议实现图6.6中断服务程序框图PDIUSBD12支持所有的四种USB 数据传输方式。在适配器的设计中使用了控制传输、中断传输和批量传输。控制传输只用来传递控制信息，固定使用端点0；中断传输使用端点1，用来传送CAN网络状态信息；批量传输用来实现主机和CAN网络节点之间的数据传送，使用端点2。图6.6是PDIUSBD12中断服务程序框图。2 驱动程序设计USB 驱动程序属于WDM(Windows driver module)类型。 WDM 驱动程序是分层的，引入了FDO(Function Device Object) 和 两PDO(Physical Device Object) 个新类来描述硬件，每一个物理硬件有一个PDO，但是可以有多个FDO，在驱动程序中直接操作的是PDO和FDO。系统通过全局唯一标识符GUID实现驱动程序的识别。应用程序和WDM驱动程序通信时，系统为每个用户请求打包形成一个I/O请求包发送到驱动程序。图6.7是Windows 中USB 的通信层次结构模型。图6.7系统软件方块中的底部是Windows 系统提供的驱动程序，包括主控制器驱动程序(OPENHCI.SYS 或者UHCD.SYS)、HUB驱动程序(USBHUB.SYS)和一个类驱动程序（USBD.SYS) 。图6.7通信层次结构模型Windows2000下驱动程序的设计工具是VC+ 和Win2000DDK但是直接使用DDK 编程有相当大的难度。目前有第三方软件厂商提供了一些驱动程序开发工具，如Jungo 公司的WinDriver、Compuware 公司的DriverStudio等。这些工具仍然是基于WindowsDDK 的，但是进行了新的封装，提供了驱动程序设计向导。适配器设计中采用了DriverStudio 作为驱动程序开发工具。利用其中的向导DriverWorks 一步步地作出选择并修改少量参数，即可生成驱动程序框架和测试台应用程序框架，对USB 设备的通用性部分支持得很好。在VC+ 中对向导生成的代码作修改，并对设备特殊功能部分添加处理代码，然后用VC+编译为*.SYS 文件，就是一个完整的驱动程序。 SoftIce 是DriverStudio 的另一个调试工具，可以对驱动程序进行操作系统内核级的跟踪与调试。生成驱动程序后，编写相应的INF文件是重要的一步。 INF文件在操作系统发现新硬件之后向系统指明应该安装的驱动程序#系统向设备提供的服务以及注册表项要修改的内容。基于USB 接口的CAN 总线适配器经过试验运行证明：在中小规模和短时大数据块传送时，能够很好地完成网络通信任务。 USB 接口是计算机外设的发展趋势，目前主要用在中低速场合。随着USB2.0 规范的推出，又逐渐向高速应用发展。因此将现场总线网络和计算机接口相连的适配器具有广泛的应用前景。6、3 PI总线的特点和PI-BIU的设计流程PI 总线是并行接口总线的简称。它采用单字或双字的方式在多个并行工作的模块之间传送数据。它不依赖于CPU，速度快且有很好的兼容性、实时性和可靠性，适用于多处理器系统中多个并行工作模块的互连。PI总线为驻留在单块底板上的多达32个模块交换信息提供通讯通道。它采用主从通讯方式，各模块通过竞争获得主模块权，由主模块来控制进程。消息类型分为控制序列、正常序