工業(yè)淬火介質(zhì)性能測試儀設(shè)計(jì)

馬麗 周一民

摘 要： 為了有效測量工業(yè)淬火介質(zhì)的工作特性，應(yīng)用熱電偶法對淬火過程中淬火介質(zhì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并存儲。設(shè)計(jì)中K型熱電偶將采集的溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入到AD595中進(jìn)行冷端自動補(bǔ)償、線性化和放大處理。再將處理后的信號經(jīng)過TLC1543十位AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為STC89C52單片機(jī)的輸入，單片機(jī)將采集到的溫度信息按軟件法線性化處理后，用LCD1602液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示并儲存到SD卡中。通過Proteus系統(tǒng)仿真，檢驗(yàn)了本方案的可行性，為裝置實(shí)物化提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞： 淬火介質(zhì)； K型熱電偶； STC89C52單片機(jī)； SD儲存卡

中圖分類號： TH 89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）03-0092-03

0 引 言

液態(tài)淬火介質(zhì)在實(shí)際淬火過程中可分為發(fā)生物態(tài)變化和不發(fā)生物態(tài)變化兩種情況[1]。目前對于熱電偶法測試淬火介質(zhì)的性能研究主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示方法研究；二是對實(shí)驗(yàn)熱探頭的研究[2]。由于傳統(tǒng)的測試裝置大都成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的智能化和簡單化，本文主要研究溫度的實(shí)時(shí)采集與儲存系統(tǒng)。本文采用熱電偶法對探頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并對熱電偶輸出的微弱電信號進(jìn)行放大與濾波處理，將A/D轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后用顯示模塊實(shí)時(shí)顯示，并將顯示內(nèi)容儲存在SD卡中以方便以后的數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 溫度信號采集放大電路設(shè)計(jì)

AD595是一種專門用于熱電偶信號冷端補(bǔ)償和信號放大的芯片，加上外圍電路后性能更穩(wěn)定[3]。本文需要測定熱探頭在850 ℃至300 ℃之間的變化特性，熱電偶信號經(jīng)過AD595過濾放大要到達(dá)10 mV/℃的輸出。但是A/D轉(zhuǎn)換芯片的參考端電壓只有5 V，經(jīng)計(jì)算AD595輸出信號至少經(jīng)過1/2分壓之后才能達(dá)到輸入要求。本文設(shè)計(jì)AD595的信號采集放大電路如圖1所示，因?yàn)榇穗娐凡徊杉?fù)溫，當(dāng)正電源達(dá)到15 V時(shí)可測1250 ℃的溫度，所以該電路僅以12 V單電源供電即可滿足測試低于1000 ℃的要求。

1.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

本文選用STC89C52系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器[4-5]。因?yàn)楸緶y試裝置要求度采集精度達(dá)到1℃，且短時(shí)溫度可到達(dá)1000 ℃左右，所以至少選用一個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換器才能滿足測試需求。因此，本文選用TLC1543轉(zhuǎn)換器，為了儲存及通信方便，也將采集到的信息通過主控芯片時(shí)時(shí)儲存到SD卡中。

本文系統(tǒng)工作流程如圖2所示。在對SD卡進(jìn)行讀寫操作之前需要先對其進(jìn)行初始化操作。當(dāng)溫度信息經(jīng)過TLC1543轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，采用 LCD1602顯示溫度、時(shí)間和溫度的變化率。在向液晶寫入內(nèi)容之前需要對液晶進(jìn)行初始化操作。系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集部分軟件設(shè)計(jì)

2.1.1 溫度采集實(shí)現(xiàn)功能

為了更準(zhǔn)確地測得實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1） 當(dāng)按鈕S2按下時(shí)，系統(tǒng)開始工作。由于剛開始探頭的溫度可能不止850 ℃，則軟件系統(tǒng)需設(shè)定當(dāng)溫度低于850 ℃時(shí)才開始溫度采集。

（2） 當(dāng)熱電偶在工作時(shí)出現(xiàn)斷偶情況時(shí)，單片機(jī)需發(fā)出報(bào)警信號。

（3） 當(dāng)溫度下降到300 ℃時(shí)停止溫度采集，系統(tǒng)保持靜默狀態(tài)。

2.1.2 溫度采集線性化處理

（1） 采集溫度與AD595輸出電壓關(guān)系。在測試過程中，為更好地達(dá)到測試要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，本文選用切比雪夫擬合法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行近似處理，經(jīng)過此過程處理后，最后測得的溫度誤差將進(jìn)一步縮小。AD595輸出電壓與被測溫度的關(guān)系為

式中：V0為AD595輸出電壓；Vm為熱電偶輸出電壓。

（2） 溫度轉(zhuǎn)換后還原。由于測得的溫度信號經(jīng)過AD595放大后輸出電壓信號將超過5 V，所以AD595輸出電壓需要1/2分壓后再輸入到TLC1543輸入端，然后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為10位數(shù)據(jù)。

由于A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓為VIN=×500，可得AD595輸出電壓為V0=2VIN，其中ADC表示A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。即當(dāng)V0<5859時(shí)，將帶入式（1），否則帶入式（2）可得采集到的溫度值。

2.1.3 溫度采集主要寄存器設(shè)置

（1） I/O口設(shè)置。本文將P32口作為信號輸入接口、P33口作為地址輸入接口、P34作為片選接口、P35作為輸入/輸入時(shí)鐘接口。當(dāng)按鈕S2按下，單片機(jī)采集到P30口端為低電平，系統(tǒng)開始工作。系統(tǒng)正常工作時(shí)，AD595的ALM+端輸出為高電平，此時(shí)光耦導(dǎo)通C端電壓為負(fù)，蜂鳴器不響。當(dāng)光耦斷耦時(shí)，此時(shí)C端電壓為正，蜂鳴器報(bào)警。

（2） 定時(shí)器設(shè)計(jì)。溫度采集需測得溫度隨時(shí)間的變化過程與溫度的變化速率，要計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。本文選用定時(shí)器T0工作在方式1，晶振頻率fOSC=12 MHz，定時(shí)50 ms，中斷兩次定時(shí)0.1 s。

2.2 溫度儲存軟件設(shè)計(jì)

溫度信息經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算處理之后還需用SD卡儲存以便之后的數(shù)據(jù)處理。本文通過軟件法模擬出SPI總線模式的工作時(shí)序。SPI總線模式可以是單塊操作也可以是多塊操作，單塊操作過程中寫入的字節(jié)長度只能是512字節(jié)，如果寫入正常，SD卡對每一個(gè)寫入的數(shù)據(jù)都會有一個(gè)低五位是00101的應(yīng)答信號。在讀取數(shù)據(jù)的過程中，當(dāng)其命令字為CMD17時(shí)，響應(yīng)字節(jié)為0xFE時(shí)才表示SD卡能夠正確接受一個(gè)命令字，之后接收的才是512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊，最后兩個(gè)字節(jié)為CRC驗(yàn)證碼。

3 系統(tǒng)仿真

本研究是基于Proteus的系統(tǒng)仿真。Proteus軟件是一款專門用于單片機(jī)設(shè)計(jì)仿真的專業(yè)軟件，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一方面需要先將裝置所需要的硬件電路在Proteus中繪畫出來并檢查其電氣特性；另一方面需要在Keil軟件中進(jìn)行單片機(jī)程序的調(diào)試。經(jīng)過反復(fù)修改硬件電路及程序，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

本文仿真過程中，由于Proteus中沒有關(guān)于SD卡的元器件及仿真功能，所以只能仿真熱電偶采集溫度的轉(zhuǎn)換過程，由圖1可得當(dāng)熱電偶溫度顯示為641 ℃時(shí)，AD595輸出經(jīng)分壓后輸出為3.21 V，因?yàn)殡妷航?jīng)過了1/2分壓，所以其真實(shí)輸出為6.42 V，基本滿足10 mV/℃的實(shí)驗(yàn)要求；圖2中，如屏幕顯示為640 ℃，具有微小誤差，時(shí)間部分顯示正常；由于仿真過程中手動調(diào)節(jié)熱電偶溫度速度慢，系統(tǒng)反應(yīng)慢，所以溫度變化速率部分顯示為0，整個(gè)系統(tǒng)基本符合要求。

4 結(jié) 論

本文采用熱探頭法對淬火介質(zhì)進(jìn)行性能測定，為了能更準(zhǔn)確地測得溫度信息，除了使用K型熱電偶專用的信號放大整合芯片AD595外，還使用十位的AD轉(zhuǎn)換器TLC1543對信號進(jìn)行數(shù)字化處理，使溫度的顯示精度達(dá)到1℃，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的測試要求。此外，該系統(tǒng)的硬件電路經(jīng)過Proteus單片機(jī)專用仿真軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示此設(shè)計(jì)基本符合測試要求，對設(shè)計(jì)的實(shí)物化具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張克儉. 淬火介質(zhì)的冷卻特性曲線究竟說明了什么[J].熱處理技術(shù)與裝備，2007（4）：25-28.

[2] 萬麗君. 基于虛擬儀器的淬火介質(zhì)冷卻特性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 武漢理工大學(xué)，2006：66.

[3] 吳方，鄧素平. 11通道10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543及其在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微電子技術(shù)，2002（6）：44-48.

[4] 唐繼賢. 51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2012：128-139.

[5] 郭天祥. 單片機(jī)語言C51應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)集錦[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009：315-345.