保溫材料傳導(dǎo)系數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計

安然然，王淮中

(沈陽化工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

隨著國家不斷推行節(jié)能、減排、綠色環(huán)保的方針政策，各行各業(yè)都推出相應(yīng)的節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)，并積極采取各種檢測方法對本行業(yè)的各類產(chǎn)品進(jìn)行檢測、排查，從而調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，保證與國家綠色環(huán)保方針相一致.建筑行業(yè)的保溫材料種類繁多，生產(chǎn)廠家鋪天蓋地，因此，生產(chǎn)的產(chǎn)品良莠不齊.雖然保溫材料的化學(xué)成分較易檢測，但是其表現(xiàn)出的物理效應(yīng)——傳導(dǎo)系數(shù)因受制作流程、環(huán)境、測試方法等多方面因素影響而很難準(zhǔn)確檢測.在進(jìn)行保溫材料傳導(dǎo)系數(shù)檢測時，由于檢測儀器、檢測方法、檢測依據(jù)差異性很大，國家至今沒有出臺統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)與方法.因此，整個行業(yè)中的各個廠家迫切希望在國家標(biāo)準(zhǔn)出臺前能夠制定一個切實(shí)可行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測要求.為達(dá)到國家節(jié)能檢測要求，并滿足行業(yè)中各個廠家對傳導(dǎo)系數(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立的需求，本文開發(fā)設(shè)計了檢測保溫材料傳導(dǎo)系數(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用一線總線搜索算法對多個高精度溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)采集，然后通過相應(yīng)數(shù)學(xué)算法進(jìn)行綜合處理，從而保證測量的穩(wěn)定性.

1 設(shè)計原理與實(shí)現(xiàn)方法

在北方冬季，供暖公司向居住小區(qū)各終端用戶輸送熱能，保證每個房間的溫度不低于國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)18℃，但是，如果居民家中的保溫材料隔熱效果不好，大量的熱量就會從室內(nèi)散發(fā)到室外，進(jìn)而造成能源的無端消耗，經(jīng)濟(jì)的巨大浪費(fèi).而保溫材料的傳導(dǎo)系數(shù)直接決定隔熱程度的好壞，決定著各項經(jīng)濟(jì)成本，因此，通過對導(dǎo)熱系數(shù)的測量即可選擇高質(zhì)量的保溫材料，保證節(jié)能減排.保溫材料的傳導(dǎo)系數(shù)測量，即測定單位時間內(nèi)從待測保溫材料，如擠塑板或苯板，一面?zhèn)鲗?dǎo)到另一面的熱量.在建筑設(shè)計過程中保溫材料一般貼在用戶的外墻上，起著阻礙溫度流失的作用.當(dāng)冬季居民家中開始采暖時，由于墻體中的沙石和水泥是比較好的傳熱體，因此，熱量很容易通過外墻從屋內(nèi)傳導(dǎo)到墻體外壁，而保溫材料組成的防護(hù)墻就是保證熱量不向外流失的最后一道屏障，因此，熱量從保溫材料一面向另一面?zhèn)鞑サ臅r間越長，保溫效果就越好，反之保溫效果就越差.

為了能夠檢測保溫材料的傳熱能力，根據(jù)熱量散失理論進(jìn)行如下設(shè)計:首先，為了保證測試環(huán)境不受外界因素的影響(如日照或刮風(fēng))，采用一個密閉箱體使測試材料與外界環(huán)境分離，以避免測試過程中保溫材料從外界環(huán)境吸取熱量或散失熱量.其次，在待檢測材料的兩面分別緊貼上傳導(dǎo)效果極好的銅板，在兩塊銅板中分別嵌入多個高精度溫度傳感器，并使銅板A與供熱源相連，使其溫度始終保持20℃，而使銅板B與制冷源相連，使其溫度始終保持為0℃.這樣就有效地模仿出居民家中的環(huán)境——屋內(nèi)20℃，屋外0℃的場景.通過系統(tǒng)的模糊控制使兩塊銅板溫度差達(dá)到恒定，這時傳導(dǎo)平衡建立.在平衡條件下，通過系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的分析，可知道單位時間內(nèi)為保持溫度差熱源提供了多少能量給銅板A，而這些能量就是從銅板A傳導(dǎo)到銅板B散失的能量，通過相應(yīng)數(shù)學(xué)計算，即可求出保溫材料的傳導(dǎo)系數(shù).測量系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 測量系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the measure system

2 系統(tǒng)硬件接口

2.1 芯片簡介

系統(tǒng)采用ATMEL公司8位單片機(jī)AT90S8515作為核心芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用精簡指令集設(shè)計，因此，在相同晶振時鐘驅(qū)動下，單條指令執(zhí)行速度比相應(yīng)的51單片機(jī)快12倍，而且抗干擾能力強(qiáng)，驅(qū)動能力強(qiáng).AT90S8515單片機(jī)包含同步通訊接口SPI，可高速地與外圍設(shè)備進(jìn)行通信，大大提升了板間通訊速度;其包含串行通訊接口可與上位PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊.

DS18b20是美國DALLAS公司出產(chǎn)的高精度單總線數(shù)字測溫芯片，每個DS18b20芯片在出廠時都被固化了唯一的64位序列號，其測溫范圍為-55～+125℃，測溫精度可達(dá)0.5℃，分辨率最高可達(dá)0.062 55℃.DS18b20內(nèi)部自帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器，芯片可在控制命令操作下自動完成溫度采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列過程，然后將轉(zhuǎn)換為16位二進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部暫存器中，單片機(jī)可按照一定的讀寫時序?qū)偩€上所有的傳感器進(jìn)行讀寫，大大地簡化了單片機(jī)與溫度傳感器的通訊設(shè)計［1］.

2.2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計方法

為了保證測溫的均衡性，多個DS18b20溫度傳感器均勻地嵌入到每塊銅板上.銅板A和銅板B上的溫度傳感器分別連接到2條電纜上，電纜通過總線驅(qū)動后再與AT90S8515單片機(jī)2個不同的引腳相連.溫度傳感器在單片機(jī)的讀寫時序控制下進(jìn)行溫度的采集、轉(zhuǎn)換、保存，計算機(jī)再對單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，從而調(diào)控供熱源和制冷源的功率，保證傳導(dǎo)平衡.AT90S8515單片機(jī)與多個DS18b20芯片的連接如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 Diagram of the system hardware

在檢測過程中，系統(tǒng)為保證銅板各點(diǎn)溫度的均衡性，需要實(shí)時監(jiān)控銅板各個測試點(diǎn)，其方法如下:單片機(jī)通過一線總線分別向銅板A和銅板B上嵌入的不同溫度傳感器DS18b20發(fā)出控制指令，被選定的溫度傳感器接收控制命令后，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換、傳送.檢測過程中使用的溫度傳感器較多且測試時間較長，因此，采集到的溫度數(shù)據(jù)較多.而單片機(jī)本身所帶的Flash存儲器只有8K，而且單片機(jī)中還需要運(yùn)行一線總線搜索算法、CRC冗余檢測算法、溫度加熱模塊的控制以及制冷壓縮機(jī)的控制，因此，其存儲空間只能滿足程序存儲的需要，不足以存儲大規(guī)模采集數(shù)據(jù)，所以，必須將采集到的溫度信息存儲到外圍存儲芯片中.ATMEL公司的AT25HP512是容量為64K 8bit的SPI串行EEPROM，單片機(jī)可直接將其集成SPI串行接口引腳與AT25HP512相應(yīng)的SPI串行通信引腳相連，實(shí)現(xiàn)高速通信.由于SPI通信協(xié)議中必須設(shè)置通信雙方的主從關(guān)系，因此，在硬件電路設(shè)計時將AT90S8515的I/O口引腳PB5(MOSI主出從進(jìn))、PB6(MISO主進(jìn)從出)、PB7(SCLK系統(tǒng)時鐘)分別連接到AT25HP512的MISO、MOSI和SCLK引腳上，這樣外圍存儲器AT25HP512就被設(shè)定為單片機(jī)的從屬設(shè)備，可在單片機(jī)提供的時鐘脈沖頻率下被訪問，單片機(jī)與存儲器的通訊速度可在單片機(jī)相應(yīng)通訊寄存器進(jìn)行設(shè)置，其具體的通信電路如圖3所示.

圖3 AT90S8515單片機(jī)與AT25HP512存儲器的通信電路圖Fig.3 Communication diagram of AT90S8515 and AT25H512

系統(tǒng)在PC機(jī)中設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，用來保存單片機(jī)采集到的多個DS18b20溫度傳感器的64位ROM編號信息、采集時間、采集溫度等信息，并根據(jù)對溫度信息的分析與處理實(shí)現(xiàn)對銅板A和銅板B的溫度控制.單片機(jī)在PC機(jī)的控制命令下訪問外部存儲器并將數(shù)據(jù)上傳，兩者之間通過通訊接口芯片MAX232以半雙工、9600波特率進(jìn)行通信［2］，其通信連接如圖4所示.

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)通信框圖Fig.4 Diagram of communication with PC

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)功能不同可分為兩大軟件系統(tǒng):首先為下位單片機(jī)“溫度采集軟件系統(tǒng)”，其主要負(fù)責(zé)對多個溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時溫度采集，如圖5所示;然后為“上位PC機(jī)的軟件系統(tǒng)”，其主要負(fù)責(zé)對下位單片機(jī)發(fā)送控制命令并通過通訊接口接收單片機(jī)上傳的溫度信息，再將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、計算、分析、存儲，如圖6所示.

圖5 單片機(jī)溫度采集軟件系統(tǒng)框圖Fig.5 Diagram of microchip software system

當(dāng)單片機(jī)通電后，溫度采集系統(tǒng)自動運(yùn)行，軟件程序驅(qū)動單片機(jī)通過連接端口向溫度傳感器發(fā)送初始化命令，使掛在一線總線上的所有DS18b20溫度傳感器進(jìn)行初始化，然后系統(tǒng)發(fā)出“搜索命令”，搜尋總線上所帶DS18b20溫度傳感器的總數(shù)量，并將每個DS18b20溫度傳感器所配備的唯一出廠ROM編號記錄下來.接著單片機(jī)向掛在一線總線上的所有DS18b20溫度傳感器發(fā)出"溫度轉(zhuǎn)換"命令，單片機(jī)等待DS18b20溫度傳感器將自然溫度值轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并存儲到自身的暫存器，再發(fā)出“ROM匹配”命令，在一線總線上找尋ROM編號與所發(fā)ROM編號相一致的DS18b20，然后對其進(jìn)行溫度讀取，DS18b20溫度傳感器在讀取時序的控制下將暫存器中的第1、2字節(jié)內(nèi)容傳送到單片機(jī)中［3］，單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)要求循環(huán)采集所需傳感器的溫度值，從而完成溫度采集，如圖5所示.

上位機(jī)PC軟件主要負(fù)責(zé)向下位單片機(jī)發(fā)送控制命令，使單片機(jī)能夠按照上位機(jī)軟件系統(tǒng)的要求對符合ROM編號的溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，并將采集到的結(jié)果傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理.單片機(jī)在對溫度傳感器進(jìn)行溫度采集時得到的是2個字節(jié)的溫度信息值，但是在顯示與存儲中必須轉(zhuǎn)換成帶有正負(fù)號的十進(jìn)制小數(shù)形式，而單片機(jī)特別不適合進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，因此，單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位PC機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理分析，處理后的數(shù)據(jù)可以文件的形式存儲到PC機(jī)的硬盤上，操作者可隨時調(diào)用此文件并通過“時間-溫度曲線”顯示溫度采集與控制過程，如圖6所示.

圖6 上位PC機(jī)軟件系統(tǒng)框圖Fig.6 Diagram of PC software system

4 總結(jié)

保溫材料傳導(dǎo)系數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計的核心是保證檢測過程中高質(zhì)量的重復(fù)性.行業(yè)中許多測試機(jī)構(gòu)同樣采用熱傳導(dǎo)的方式來進(jìn)行測量，但是其對同等材料檢測的重復(fù)率較低，主要原因如下:第一，因?yàn)閭鲗?dǎo)熱量極其細(xì)微，檢測中需要傳感器反應(yīng)靈敏，但他們沒有開發(fā)模具，創(chuàng)造一個氣密性極好的密閉箱體，根本無法保證傳感器采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性;第二，傳感器與待測物品通過黃油作為接觸劑進(jìn)行接觸，無法保證傳感器充分感應(yīng)出溫度的極小變化;第三，傳統(tǒng)的高精度熱電偶傳感器其反應(yīng)非?？旖菝黠@，但是在后續(xù)電路的設(shè)計方面很容易造成線性漂移或零點(diǎn)誤差，而此設(shè)計涉及到的信號為毫伏信號，很容易和干擾信號混雜一起，難以分辨.

針對上述，本設(shè)計開發(fā)模具創(chuàng)造出一個氣密性極好的密封箱體，保證了傳感器采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性;為保證傳感器與導(dǎo)熱銅板能夠緊密配合，特意設(shè)計模具將銅板鉆出等距離、等大小的空洞，然后將溫度傳感器埋入洞中，再用銅水進(jìn)行澆注，使傳感器徹底成為銅板一部分，從而保證傳導(dǎo)檢測靈敏;測試中采用集成電路溫度傳感器，而不是原有的熱電偶傳感器，有效地保證了溫度傳感器的一致性，并且減少了濾波電路、放大電路等外圍電路對采集信號的影響，保證了測量的精確度.經(jīng)過以上改進(jìn)，該儀器與其他廠家所開發(fā)的儀器相比，其重復(fù)率、準(zhǔn)確度、檢測時間等方面都展現(xiàn)出較大優(yōu)勢.

［1］ 李鋼，趙彥峰.1-wire總線數(shù)字溫度傳感器ds18b20［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(8):77-79.

［2］ 朱常青.用RS-232串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離通信［J］.石油儀器，2003(1):33-34.

［3］ 鄭長征，毛哲，謝兆鴻.多個DS18B20在糧庫測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25(11):87-89.