基于單片機(jī)的炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料的電阻－溫度測(cè)量系統(tǒng)

寧　凡　盧勇躍

摘 要：以AT89S51單片機(jī)為核心,采用熱電偶放大器芯片AD595，設(shè)計(jì)炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料的電阻－溫度測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電阻和溫度的測(cè)量。介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法，特別是溫度和電阻的采集和顯示過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠方便準(zhǔn)確地測(cè)量電阻和溫度的變化，測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料的PTC特性。

關(guān)鍵詞：熱電偶放大器；AD595；電阻－溫度測(cè)量；AT89S51；導(dǎo)電材料

中圖分類號(hào)：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 174 03

Resistance－Temperature Measurement System of Carbon Black

Conductive Composite Material Based on Single Chip Computer

NING Fan1,LU Yongyue2

(1.Hangzhou Professional Technical College,Hangzhou,310018,China;2.Hangzhou Pnshar Technology Co.Ltd.,Hangzhou,310035,China)

Abstract：A resistance－temperature measuring system of carbon black conductive composite material is designed.The system takes AT89S51 as the microcontroller,adopts thermocouple amplifier chip AD595,accomplishing the measurement of resistance and temperature is completed.The hardware and software design,especially the display process of temperature and resistance acquisition are introduced.Experiment results prove that the change of resistance and temperature can be measured.The PTC characteristic of carbon black conductive composite material is verificated.

Keywords：thermocouple amplifier;AD595;resistance－temperature

measuring;AT89S51;conducting material

0 引 言

隨著電子工業(yè)及信息技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)于具有導(dǎo)電功能的高分子材料的需求越來(lái)越迫切［1］。導(dǎo)電復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、無(wú)銹蝕、易于加工成各種復(fù)雜形狀，尺寸穩(wěn)定性好，電導(dǎo)率在較大范圍內(nèi)可調(diào)，易于大批量生產(chǎn)以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)［2］，因此廣泛應(yīng)用于抗靜電、微波吸收、自控溫發(fā)熱材料、電磁波屏蔽［3－7］等領(lǐng)域。其中，炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料是目前應(yīng)用最廣，用量最大的一種。在此以AT89S51單片機(jī)［8］為核心，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的測(cè)量炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料電阻和溫度系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

單片機(jī)通過(guò)熱電偶放大器芯片采集當(dāng)前的溫度值；通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路采集電阻值，送到FM24C02以備查詢，LCD顯示當(dāng)前的電阻和溫度情況，使用者可以方便地讀出電阻和溫度的變化，還可以通過(guò)串行口和上位機(jī)上進(jìn)行通信。

1 AD595的工作原理與應(yīng)用

AD595是AD公司生產(chǎn)的一款熱電偶放大器,將儀器放大器和熱電偶冷接頭補(bǔ)償器全部集成在1塊單片芯片上,產(chǎn)生一個(gè)10 mV/℃的輸出。管腳的可選擇性使其可以作為一個(gè)線性放大補(bǔ)償器或者是設(shè)置工作點(diǎn)控制器的開關(guān)輸出。

AD595包含一個(gè)熱電偶故障報(bào)警,如果熱電偶的一腳或雙腳開路,可以顯示報(bào)警信號(hào)。報(bào)警輸出有很多種靈活的方式,包括TTL形式。

AD595能夠用一個(gè)單端+5 V電壓供電。如果用負(fù)電壓,則可以測(cè)量0 ℃以下的溫度。為了使其自身發(fā)熱最小化,一個(gè)無(wú)負(fù)載的AD594/AD595的總電流是160 μA,當(dāng)然也可以把5 mA以上的電流傳送給負(fù)載。

1.1 溫度穩(wěn)定性

每個(gè)AD595都測(cè)試過(guò)在不同溫度時(shí)對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)的溫度誤差。冷接頭補(bǔ)償器的誤差、放大器的偏移量以及增益誤差等綜合起來(lái)決定了AD595在額定環(huán)境溫度范圍內(nèi)的輸出穩(wěn)定性。圖2顯示了AD595的測(cè)量誤差分布范圍。圖2中的坐標(biāo)單位為℃。

1.2 熱環(huán)境效應(yīng)

AD595本身固有的低能量耗散以及低熱阻抗的封裝使得它由于自身發(fā)熱引起的誤差可以忽略。例如,在靜止的空氣中,芯片的環(huán)境熱阻抗大約為80 ℃/W(D型封裝)。在額定的800 μW的耗散下,在自由的空氣中自身發(fā)熱誤差小于0.065 ℃。浸沒于液態(tài)的氟中,熱阻抗大約為40 ℃/W,使得自身發(fā)熱誤差大約為0.032 ℃。如圖2為AD595的測(cè)量誤差分布。

單片機(jī)采集溫度值時(shí)，AD595的第1腳感受炭黑導(dǎo)電材料的溫度變化；第8腳輸出與溫度對(duì)應(yīng)的電壓變化，變化系數(shù)為10 mV/℃，該電壓經(jīng)過(guò)LM358放大送至V/F單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后單片機(jī)把采集信息存放在FM24C04中。

2 V/F轉(zhuǎn)換器件LM331

LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性價(jià)比較高的集成芯片，可作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器使用。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0 V電源電壓下都有極高的精度；同時(shí)，它的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100 dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01％；工作頻率低，到0.1 Hz時(shí)還有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。電路見圖4。

3 單片機(jī)AT89S51及ISP接口

AT89S51單片機(jī)兼容MCS51微控制器,但比早期的AT89C51做了改進(jìn),內(nèi)帶看門狗定時(shí)器,無(wú)需外加監(jiān)控芯片,通過(guò)軟件設(shè)置就可保證系統(tǒng)可靠工作,并且支持在系統(tǒng)可編程,不需要從電路板上取下器件就可對(duì)空白器件進(jìn)行編程。

單片機(jī)采集電阻信號(hào)時(shí)，通過(guò)一個(gè)恒流源電路把炭黑的電阻轉(zhuǎn)換成電壓值，放大后轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)送至AT89S51，單片機(jī)把采集信息存放在FM24C04中以備查詢。

AT89S51的ISP［9－11］有串口和并口2種方式,設(shè)計(jì)中采用并行下載接口方式,其與單片機(jī)的接口電路如圖4所示,該電路下載速度快,工作穩(wěn)定。采用Easy51Prov2.0軟件即可完成在線編程。

4 顯示電路T6963C

在中規(guī)模圖形液晶顯示模塊中，內(nèi)置T6963C控制器的液晶顯示模塊是目前較為常用的圖形液晶顯示模塊。內(nèi)置T6963C控制器型液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由液晶顯示控制器T6963C及其周邊電路，行驅(qū)動(dòng)器組，列驅(qū)動(dòng)器組以及液晶驅(qū)動(dòng)偏壓電路組成。

T6963C的最大特點(diǎn)是具有獨(dú)特的硬件初始值設(shè)置功能，顯示驅(qū)動(dòng)所需的參數(shù)如占空比系數(shù)，驅(qū)動(dòng)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)／行及字符的字體選擇等均由引腳電平設(shè)置。這樣T6963C的初始化在上電時(shí)就已經(jīng)基本設(shè)置完成，軟件操作的主要精力就可以全部用于顯示畫面的設(shè)計(jì)。

T6963C使用了硬件初始化設(shè)置，所以使得其指令功能集中于顯示功能的設(shè)置上，從而加強(qiáng)了T6963C的顯示控制能力。

T6963C指令的運(yùn)行時(shí)間有些是不能確定的，這是因?yàn)橛行┲噶畹倪\(yùn)行要受到當(dāng)時(shí)控制部分的狀態(tài)影響。

T6963C指令中有的指令需要參數(shù)的補(bǔ)充，如地址指針的設(shè)置。T6963C指令參數(shù)的輸入是在指令代碼寫入之前。T6963C的指令寫入的流程圖如圖6所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件按模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要包括設(shè)定初值,調(diào)用子程序以及設(shè)置各個(gè)接口狀態(tài),讀/寫操作控制等部分。單片機(jī)控制軟件主要完成下面幾個(gè)功能,即V/F轉(zhuǎn)換控制、電阻值和溫度顯示以及計(jì)算機(jī)串口通信等。軟件采用C語(yǔ)言程序（略），程序流程如圖7示。

6 調(diào)試過(guò)程及結(jié)果

將被測(cè)信號(hào)放大，通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換（LM331）器將模擬量轉(zhuǎn)換成頻率，并用CPU讀取頻率值，通過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算，得到被測(cè)信號(hào)的數(shù)值。

電阻測(cè)量：利用恒流源，將恒定電流流過(guò)被測(cè)試樣并將電壓值轉(zhuǎn)換成頻率值，電流不能太大，較大的電流會(huì)引起溫度變化從而影響電阻值。

溫度測(cè)量：用K型熱電偶測(cè)量溫度，采用AD595將溫度值轉(zhuǎn)換成模擬電壓，AD595自帶冷端自動(dòng)補(bǔ)償。

該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試R－T變化如表1所示，由表中數(shù)據(jù)變化可以看出，炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料具有PTC特性。

7 結(jié) 語(yǔ)

利用單片機(jī)構(gòu)建的這樣一個(gè)電阻－溫度測(cè)量系統(tǒng),能方便地應(yīng)用于具有溫度傳感器特性的各種導(dǎo)電材料的測(cè)量,使用比較便利，利用串口可以和上位機(jī)進(jìn)行通信，可使測(cè)量結(jié)果更加直觀方便。

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作者簡(jiǎn)介 寧 凡 1977年出生，杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士研究生。研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)、傳感器。