毕业设计78智能导热系数测试仪测控系统的设计

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 Abstract The coefficient of transmitting heat is described as a physics context which tokens the heat conduction character of material. The coefficient value of transmitting heat is strongly affected by the changing of material construction and the different impurity which the material contains. The coefficient of transmitting heat, as the important index which measures the heat preservation function of the building materials and tokens the transmitting heat ability which the material has, is paid more attentions all the time. The coefficient of transmitting heat of the material is always requested to be measured in experiment. Nowadays the electric potential difference counts and the galvanometer are used to measure the coefficient of transmitting heat in most case, which exists some shortcomings: the low automation degree , the bad performance in general use, the complicacy regulate process ,the measure results are easily influenced by artificial factors. Along with the development of the economy and science technique in our country, there present a lot of new products and new materials. In the industrial agricultural department, and building departments, more and more measurements are needed to obtain the coefficient of transmitting heat of the new product, the measuring accuracy is requested to be higher. In the face of the requirement for scientific research and industrial production, it is quite necessary to design a new digital measuring system with the microcomputer and the intelligence control technique. Intelligent system which measures the coefficient of transmitting heat improves the automation and intelligence level. At the same time, it improves the measure efficiency and the test accuracy, alleviates the personnels labor strength. The task of this design is to design and finish a measure system which contains a intelligent machine measuring the coefficient of transmitting heat.It mainly designs to collect the temperature of the material which is to be measured with thermo-element on the condition that the temperature controlling module makes the measuring condition reaching a stably level .And then amplifier, convert it from analog to digital, deliver it and the conduct in the whole controlling module, then convert the processed signal from digital to analog signal, control the heating efficiency. Then it designs the communication between the upper and below computer and the communicating bus among each module, and so on. Finally we finish the task which contains the measure of the coefficient of transmitting heat which the material have, and the manifestation of the data result with CRT. And whats more, the measure result could be printed out from the printer at any time. By the designing of the each module above, we complete the measuring function of the machine which measures the coefficient of transmitting heat, and obtain quite a good result which we look forward to. The design result proves that the measuring system with high intelligence and automation level improves the intelligence and automation level in measuring the characters of the preserving heat material, meantime, improves the measure efficiency and the test accuracy. Key word: MCU, The coefficient of transmitting heat, intelligence, Temperature controlling 目 录 第一章、绪论 第二章、导热系数的测试方法和测试原理 2 1 导热系数的测试方法 2 1 1 稳态方法测量法 2 1 2 动态（瞬时）测量法 2 2 导热系数的测试原理 2 3 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 4 1 上位机 4 2 下位机 4 2 1 模 /数转换器 4 2 2 数 /模转换器 4 2 3 温度传感器 4 2 4 信号放大电路 4 2 5 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 5 1 软件功能分析 5 2 面板设计及软件程序框图 第六章、系统通信的设计 6 1 系统总线的简介 6 2 上下位机之间的通信总线的选择与实现 6 3 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 2 1 导热系数的测试方法 2 1 1 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/m K 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/m K）。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。 2 1 2 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/m K 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/m K 与 20W/m K）。 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 ( H 阵中的任两列之和不等于其他的任何列，即 H 阵的任三列线性无关。根据定理，码的最小距离为 4，码能纠一个错误，发现三个错误。 把（ 1）式写成矩阵形式，得到 HCT = 0T (2) 其中： CT是 C 的转置矩阵。 编码电路可以从（ 1）式得到，用异或门实现。 下面分析译码电路。这里采用查表译码法。首 先根据（ 3）式计算接收矢量 R的伴随式 S T = H R 或 S = R HT （ 3） 若 S 0，则判为没有出错，接收字是一个码字；若 S0，则判为有错，由以上推导知，该码能纠单个错误， ST等于监督矩阵 H 的第几列，就表示接收字 R 的第几位出错，若第 i 列出错，则信道的错误图样的第 i 个元素为 1，纠错后得到正确的接收字是 R（ 0， 1 ， 0 ）；若 ST不等于 0，且与 H 阵的任何一列都不相同，这时只能发现错误，无法判定错误出在哪些位上。 6. 3. 2 编码译码电路的实现 使用（ 1）式，用 VHDL 语言描述编码电路如下： -Architecture Body ARCHITECTURE behv OF code IS BEGIN dc (7) dout (31) Can _correct Cant _correct = 1 ; 6. 3. 3 功能仿真及性能分析 编译码电路选用 ALTERA 公司的 EPF10K10TC144 3 器件。编码电路占 32个逻辑单元 ，译码电路占用了 163 个逻辑单元。对编码译码电路做功能仿真，仿真波形图如图 6.9 所示 。 图 6.9 编码译码电路功能仿真波形图 从波形可以看出，当数据输入全为 1，如果总线上传来的数据最后一位出错，为 0， 正确数据异或而成的数据检查线 dc 使得译码器能把最后一位改为 1；如数据输入是 “00000001” 编码器的 dc 为 “19”而一旦出现两个错误，如最高位和最低位，译码器指示为不可纠正的错误；如 数据正确传输，则编码器指示没有错误。仿真证明，设计的编译码器能完成预定任务 。 第七章、智能导热系数测试仪整机操作说明 图 7.1是对一块 10mm厚的保温试块做 520度预置温度时的导热系数值测试过程的一个界面。由于采用了虚拟仪器平台，所以可以在前面板上直接进行操作。该面板上的九个按键可用鼠标直接操作，八种预置数可用光标和键盘直接操作，九个温度测量结果和计算结果直接在屏幕上动态数显。升温过程完全由微机控制，进入恒温状态后（前面板图 4.1），每隔两分钟微机计算一次 (i=1 3)，如遇偶然误差值，微机将自动去除，并补做一遍测试。取三次的均值做为最终的导热系数 测量结果，并自动显示在面板上。测量完毕后，打印机自动启动，打印出最终果。而且在任何时间，打印机都可以打印出当前各项数据，供操作人员做中间记录保存。必要时打印机可以通过界面选项，打印出升温曲线。工作过程中发生异常情况时，除了声、光报警之外，还可在屏幕上直接向操作人员提供操作提示。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。 图 7.1 前面板升温界面 打印结果见表 7.1。 试块标号： TM01 操作工号： 01 测试日期： 06 年 3 月 18日 试块厚度： 10.0mm 试块预置温度： T0 = 420 , 主炉温度： T1 = 491 , 升温时间： 09 分 55 秒 底炉温度： T2 = 491 , 恒温时间： 06 分 03 秒 边炉温度： T3 = 491 , 第一次测： 1 3.472 试块下表面温度： T4 = 485 第二次测： 2 3.481 试块上表面温度： T5 = 355 第三次测： 3 3.485 室温： T6 = 21 均值： 3.479 (W/m K) 恒温水域温度： T7 = 34