基于单片机的恒温式自动量热仪设计

基于单片机的恒温式自动量热仪设计摘要 量热仪是能源生产和能耗企业必备的重要测量仪器,其测量精度和效率直接影响着经济效益。为了提高量热仪的测量精度，整个量热系统的测温精度、准确性、稳定性等诸多方面都需要得到改善和提高。本文给出了采用单片机及铂电阻PT1000为核心器件的高精度恒温式自动量热仪设计。关键词 量热仪；单片机；测温精度；发热量中图分类号 TH7 文献标识码 AThe Design of Isothermal Automatic Calorimeter based on SCMLi,ping Ji,jianwei Song,jiayou Lu,fang Guo,junwei（College of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450052）Abstract:The catorimeter is an important kind of measurement instrument of sources produce and consumed energy enterprise,and its precision of measurement and efficiency directly exercise influence on economical benefit. In order to improve the precision of measurement of the catorimeter ,the precision of temperature measurement and accuracy as well as the stability of the whole system concerned must be improved urgently. In this paper,SCM and Platinum -resistor PT1000 are chosen as its core to design the circuit of the isothermal automatic calorimeter. Keywords: the catorimeter； singlechip microcomputer(SCM)；precision of temperature measurement；heat that coal sends out0 引言燃料的价值就在于燃烧过程中能够发热，因此燃烧热量就成为评估燃料质量最重要的指标，而燃烧热量通常是由量热仪来测量的。因此，量热仪是能源生产和能耗企业必备的重要仪器,其测量精度和效率直接影响着经济效益。量热仪可分别用于电力、煤炭、焦炭、石油、化工、水泥、军工、粮食、饲料、木材、木炭以及科研等行业测量固体、液体等可燃物资的发热量。由于其应用范围很广，因此研制出更高测量精度和效率的量热仪具有很好的发展前景及经济效益。我国是产煤大国，而衡量煤炭质量的最重要指标之一是其燃烧发热量。因而，目前国内普遍采用以发热量作为动力煤计价的主要依据。由于煤炭的发热量主要是利用量热仪来测定，因此，目前恒温式自动量热仪在包括煤炭生产以及用煤单位如电力等系统广泛应用。但由于其在测温过程中不可避免地会受到客观和人为干扰，准确性受到一定影响。为了解决这一问题并根据现有量热仪存在的其它缺点，本文所设计的量热仪采用了以单片机为控制单元，选用更高精度的铂电阻PT1000作为温度传感器，精心设计相关电路，增加信号处理单元，采用LabVIEW设计操作界面等，不仅提升了量热仪的测量精度，而且具有良好的性价比。1 基本原理恒温式量热仪采用氧弹法来测定发热量。通过放在氧弹内样品煤的燃烧发热引起水温变化，由温度传感器检测该温度变化，其对应电信号通过运放电路送到CPU控制中心（单片机）后进行A/D转换。利用自行设计的测量控制软件对采样数据进行滤波、计算与分析，并利用经验公式进行修正，最后得出单位煤的发热量。根据氧弹法测量的基本原理，煤的发热量（高位发热量、低位发热量）计算公式如下： Qgr=Qb-(94.1Sb+Qb) , （1）式中，Qgr空气干燥煤样的恒容高位发热量，J/g； Qb空气干燥煤样的弹筒发热量，J/g； Sb由弹筒洗液测得的煤样含硫量，%； 硝酸生成热校正系数，当Qb16.70MJ/Kg, =0.0010；16.70MJ/KgQb25.10MJ/Kg, =0.0012； Qb25.10MJ/Kg，=0.0016。 Qnet=（Qgr-206Had）（100-Mar）/（100-Mad）-23Mar （2）式中，Qnet收到基恒容低位发热量，J/g； Qgr空气干燥基恒容高位发热量，J/g； Mar收到基全水分（按GB/T211测定），%； Mad干燥基水分（按GB/T212测定），%； Had煤的空气干燥基氢含量（按GB/T476或GB/T15460测定），%。上述两式中涉及到弹筒发热量Qb，其计算公式为： Qb=E(Te-Tb+C)-(q1+q2)/M, （3）式中，Qb空气干燥煤样的弹筒发热量，J/g； E热容量，J/K； Te主期结束时温度，； Tb主期开始时温度，； C冷却校正值，； q1点火热，J； q2添加物如包纸等产生的总热量，J； M 样品煤重，g；由上述公式可知，只要能准确测量氧弹中水的温度及相关参数（煤重、包纸热等），就能较准确地测出煤的发热量。2 参数确定根据GBT213-2003的要求,确定本系统技术参数为： （1）测温范围：040；（2）显示分辨率：0.0001； （3）氧弹： 工作压力（充氧气）：2.83.0Mpa，最大3.2Mpa。 耐压实验（水压）：20Mpa。 容积：300ml。 （4）环境：温度532，每次测试室内温度变化不超过1，室内无强烈气流和阳光直射，相对湿度不大于80%；（5）自动调节内外筒水温；自动定量水，定量误差：土1g；（6）热容量重复性：优于0.1%。3系统设计3.1硬件设计3.1.1微处理器选择系统选用C8051F350作为CPU。C8051F350是以工业界速度最快的8051处理器为基础，可在50MHz时钟频率下提供高达50MIPS的输出。内建八通道24位ADC，ADC 有可编程式模式，数据转换率由1000 转换决定每秒和由双重8bit 传感器励磁DACs 补全和温度传感器。C8051F350 具有与5V 兼容的17 个灵活的数字式输入/输出通道。连续通信外围设备包括通用异步接收机, SPI 和SMBus 连续端口。C8051F350结合高精准度模拟资料转换、高速数据处理、线上程序设定和小体积等优点，是高精准度量测应用的理想选择。由于C8051F350集多功能于一身，使整个设计电路简单化，这就减少了由复杂电路带来的各种元件间的干扰，而且其价格也不太高。 3.1.2温度传感器选择根据测量精度和控制精度要求，系统选择铂电阻PT1000作为温度传感器。铂电阻PT1000具有长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性且价格不贵，可满足系统技术要求。利用铂电阻作为温度传感器在实际温度检测控制系统中应用极其广泛。但由于在0-800范围内，其阻值与温度之间的非线性关系，即 R（t）=R0（1+At+Bt2），直接影响所测温度的精度。式中 R（t）温度为t时铂电阻的阻值，；t温度，；R0温度为0时铂电阻的阻值，；A、B为分度常数，A=0.0038623139728，B=-0.00000065314932626。所以在使用中要进行线性化处理。本系统采用三线制电桥法，此方法可精确测量温度。 3.1.3 电路模块设计（1） 电源模块 对系统各部分起到驱动作用,提供不同的电压。这部分电路主要由变压器、滤波电路及稳压源组成。采用LM7805、LM317、LM7812等芯片，稳压后的电压分别提供给CPU控制电路、探测水位电路及控制升降电机、电磁阀进出水、充氧等动作的信号控制电路。（2）控制模块氧弹控制电路，主要完成氧弹的充放气信号控制。当氧弹内压力达到一定程度时，发出信号，通过此电路操作氧气阀门的开启和关闭。内外筒水位控制电路，主要完成内外筒的进水、排水、泄水的信号控制。有两个比较器分别接内外筒的测水位探针，通过比较控制内外筒水位，从而达到内外筒水定量的目的。点火搅拌电路，控制对氧弹内样品的点火以及对搅拌器的启动。通过判断点火是否成功发出相应的信号至CPU控制器。制冷模块，根据每次试验的发热量决定制冷量，使水温保持相对恒定，以便连续试验。这部分电路主要由过零触发MOC3041驱动双向可控硅、继电器、七重达林顿晶体管驱动器ULN2003AN等芯片构成。（3）温度采集与转换模块主要通过温度传感器完成温度信号的采集处理、前置放大、简单滤波，再进行A/D转换后数字滤波。由于温度传感器只能将温度信号转换为相当微弱的mV级电压信号，而且它还会带入电源等产生的各种干扰信号，因而在前置放大级需对输入信号先设置前置滤波，并将数字地和模拟地分开。（4）MCU控制模块对以上各模块发送来的各种信号进行分析处理，再对各模块发出相应处理命令；担负与上位机的数据通信任务。选用C8051F350，采用总线结构，输入输出信号均通过P1口进行读写，读写控制信号的传输通过P2口来完成。（5）上位机 主要完成对数据的各种算法处理，显示操作界面及对数据的输入控制；还与MCU控制模块进行数据通信。图1 所示是完整的硬件系统模块示意图。各功能模块之间由串行通信接口连接。图1 硬件系统框图3.2 软件设计系统采用C+Builder6.0开发环境进行编程，其中包含了大量的可视化组件，包括全面的Windows界面元素、数据库开发、系统编程以及网络元素等。 整个系统软件在编程过程中严格按国家标准GB/T213-2003煤的发热量测定方法 进行规范化设计。人机接口友好，系统服务完善，操作简单。编程采用国标公式、瑞芳公式、恒温式热量仪测量及数据处理方法，低位发热量计算方法等公式。具有搅拌、数据处理、操作提示、温度显示、结果显示及打印、报表输出、数据存储等模块组成。软件工作流程图如图2 所示。图2 软件工作流程图 标准物质标定仪器热容量或测煤发热量的试验时，用一个定时器控件（Timer）来控制整个试验流程。在定时器定时触发（OnTimer）事件中，采用查询方法判断目前的工作状态，从而通过串行口向单片机发送指令。在OnTimer事件和串行口接收数据事件中的程序应尽量简洁，以便于上位机尽快处理，否则会导致错过某次定时激发或丢失串行口数据。4 结束语由于系统选用了功能强大的C8051F350和PT1000作为核心器件，加之精心设计相关电路，增加信号处理单元等，使各项性能指标已优于现有量热仪。严格执行GB/T-2003的质量标准，使得它集先进性、稳定性、可靠性于一体。不仅能运用于煤炭生产行业，而且在电力、石油、化工、水泥、军工、粮食、饲料、木材、木炭以及科研等行业都有很好的应用前景。参考文献1GB/T 213-2003，Detem ination of Calorific Value of Coal（煤的发热量测定方法）S（in Chinese）2何超琼，等温型氧弹计原理及其使用与维护，计量技术，1994，（3）：21233何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计 M. 北京：北京航空航天大学出版社，1990.4赵继文.传感器与应用电路设计 M.北京：科学出版社，2002.5张太平，吴汉炯.关于国家标准BG/T213-1996煤的发热量测定方法若干问题的讨论.洁净煤技术，2002，（8）4：3842.作者简介：李平（1976-），女，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电路与系统。宋家友（1962-），男，汉族，副教授，硕士生导师，主要从事通信、电路与系统研究。姬建