非晶態(tài)合金電阻率測量和溫控系統(tǒng)的設(shè)計

李玉婷

摘 要：非晶態(tài)合金的結(jié)晶過程中電阻率變化明顯，這個特性是晶核組織結(jié)構(gòu)的敏感性能指標(biāo)。運(yùn)用非線性系統(tǒng)辨識方式，創(chuàng)建能夠反映非晶態(tài)合金在結(jié)晶過程當(dāng)中金屬材料電阻率的時間序列模型，從而分析并預(yù)先判斷出非晶態(tài)合金在結(jié)晶過程中表現(xiàn)出的各種特征及相應(yīng)參數(shù)變化，然后靈活、方便的控制結(jié)晶過程的溫度，在一定程度上就可以控制非晶材料的組織特征。

關(guān)鍵詞：結(jié)晶過程 四探針法 電阻率 PID控制算法

非晶合金從液態(tài)金屬（或氣體狀態(tài)）快速冷卻，由于沒有時間在室溫或低溫結(jié)晶和保持液體的原子無序的凝聚狀態(tài)，它的制作工藝簡單，節(jié)能效果顯著，具有優(yōu)異的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，是一種新型的綠色工程材料。研究非晶合金的晶化過程，可以鑒定金屬玻璃形成非晶體結(jié)構(gòu)的能力，還可以作為制作內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)可以控制的金屬材料一種重要依據(jù)，所以對晶化過程的研究對新型材料的研制和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

非晶態(tài)合金在晶化過程當(dāng)中電阻率變化顯明，是以能夠通過測量金屬材料在不同溫度下呈現(xiàn)出電阻率大小這種關(guān)系曲線來研究金屬玻璃的結(jié)晶過程。通過溫度測控系統(tǒng)測量出樣品材料在什么溫度下能夠出現(xiàn)快速晶化，在這個溫度下，測試樣本的電阻率迅速下降。設(shè)計非晶態(tài)合金晶化過程時電阻率及溫度關(guān)系測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能發(fā)出指令并監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的信號變化的計算機(jī)即HMI（上位機(jī)）和能夠接收、傳達(dá)信號并實時轉(zhuǎn)換下屬設(shè)備中相關(guān)信號反饋給上位機(jī)的下位機(jī)兩大部分。

上位機(jī)是一臺計算機(jī)，可以實時的采集下位設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，從而不斷更新數(shù)據(jù)顯示、歸檔、邏輯分析判斷作出界面中的指示燈等圖形元件的變色處理或播放報警語言，并將控制數(shù)據(jù)下發(fā)至下位機(jī)中。下位機(jī)為MSP430單片機(jī)，該單片機(jī)承擔(dān)著爐溫控制及溫度采集任務(wù)和晶化設(shè)備中樣本材料電阻率測量任務(wù)，分別完成精確控制晶化設(shè)備中溫度和建立恒流源實現(xiàn)數(shù)字電壓測量并在同一時間內(nèi)自動切換測量量程以及數(shù)據(jù)的操作和控制。把非晶態(tài)合金樣本放在晶化設(shè)備里，通入高精度交流穩(wěn)流電源，在材料上形成電位差，通過直流放大器放大電位差，通過AD轉(zhuǎn)換單元與標(biāo)準(zhǔn)電阻的電位差進(jìn)行對比，以此獲得高精度交流穩(wěn)流電源的電流大小，并將該電流值轉(zhuǎn)換成兩路數(shù)字量輸出給單片機(jī)；通過溫度檢測單元檢測的結(jié)晶溫度和由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到單片機(jī)，而后單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入的參數(shù)以及其他控制要求信號給加熱電路發(fā)送相應(yīng)控制信號以調(diào)節(jié)晶化箱的溫度。最后，單片機(jī)計算晶化材料電阻率，在LCD上顯示結(jié)果，并將測試出的電阻率以及該電阻率對應(yīng)的溫度傳送給上位機(jī)。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計

把電阻率測試系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)綜合起來分析，能夠看出系統(tǒng)對測試電路并沒有過高要求，整個系統(tǒng)的控制功能較少，測量頻率也較低，而且系統(tǒng)中使用的所有芯片都采用串口通訊，對通訊端口的數(shù)量也要求不多。只是為保證該系統(tǒng)的易操作性，系統(tǒng)需要能夠提供強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，操作者可以將操作意圖通過鍵盤或其他設(shè)備傳遞給計算機(jī)，并且能夠看見操作過程及反應(yīng)結(jié)果，綜上所述，用普通的51單片機(jī)加上外接的液晶顯示器就能實現(xiàn)。但考慮到51單片機(jī)輸入、輸出端口較少及需要外擴(kuò)液晶顯示器控制芯片，本系統(tǒng)選擇集成度較高的、輸入輸出端口較多的且自帶液晶顯示單元的MSP430型單片機(jī)作為核心控制器件。該單片機(jī)可以在一塊芯片上實現(xiàn)多個功能，設(shè)計方便、節(jié)能效果好。MSP430單片機(jī)處理數(shù)據(jù)以16個字節(jié)為一個單位，比8位的51單片機(jī)響應(yīng)速度高。而且有些型號的MSP430單片機(jī)擁有2千字節(jié)的隨機(jī)存取存儲器和超過3兆字節(jié)的只讀存儲器，能夠達(dá)到移植小型操作系統(tǒng)所需配置。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

把電阻率測試系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)綜合起來分析，能夠看出系統(tǒng)中存在很多小任務(wù)，而且這些任務(wù)之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)，并且大多任務(wù)都要求能夠?qū)崟r控制。如果單獨(dú)設(shè)計系統(tǒng)軟件，面臨著難度太大、無法實時更新與維護(hù)等諸多難題，所以本系統(tǒng)的軟件設(shè)計借助嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ智能操作系統(tǒng)功能來設(shè)計應(yīng)用層任務(wù)等級，解決任務(wù)交互控制問題。這樣一來，就可以解決掉單獨(dú)設(shè)計軟件引發(fā)的難度太大、無法實時更新與維護(hù)等諸多難題，還能保證系統(tǒng)的實時性控制，縮短整個系統(tǒng)設(shè)計時間，有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

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