安然然，王淮中

(沈陽化工大學計算機科學與技術(shù)學院，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)能檢測標準，并積極采取各種檢測方法對本行業(yè)的各類產(chǎn)品進行檢測、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成分較易檢測，但是其表現(xiàn)出的物理效應(yīng)——傳導系數(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確檢測.在進行保溫材料傳導系數(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)一的檢測標準與方法.因此，整個行業(yè)中的各個廠家迫切希望在國家標準出臺前能夠制定一個切實可行的行業(yè)標準，滿足對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測要求.為達到國家節(jié)能檢測要求，并滿足行業(yè)中各個廠家對傳導系數(shù)行業(yè)標準建立的需求，本文開發(fā)設(shè)計了檢測保溫材料傳導系數(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行多點采集，然后通過相應(yīng)數(shù)學算法進行綜合處理，從而保證測量的穩(wěn)定性.

1 設(shè)計原理與實現(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)定標準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，進而造成能源的無端消耗，經(jīng)濟的巨大浪費.而保溫材料的傳導系數(shù)直接決定隔熱程度的好壞，決定著各項經(jīng)濟成本，因此，通過對導熱系數(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У搅硪幻娴臒崃?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)傳導到墻體外壁，而保溫材料組成的防護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)，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到恒定，這時傳導平衡建立.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傳導到銅板B散失的能量，通過相應(yīng)數(shù)學計算，即可求出保溫材料的傳導系數(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單片機快12倍，而且抗干擾能力強，驅(qū)動能力強.AT90S8515單片機包含同步通訊接口SPI，可高速地與外圍設(shè)備進行通信，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機進行數(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0.5℃，分辨率最高可達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位二進制的溫度數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部暫存器中，單片機可按照一定的讀寫時序?qū)偩€上所有的傳感器進行讀寫，大大地簡化了單片機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2個不同的引腳相連.溫度傳感器在單片機的讀寫時序控制下進行溫度的采集、轉(zhuǎn)換、保存，計算機再對單片機上傳的數(shù)據(jù)進行分析、處理，從而調(diào)控供熱源和制冷源的功率，保證傳導平衡.AT90S8515單片機與多個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)為保證銅板各點溫度的均衡性，需要實時監(jiān)控銅板各個測試點，其方法如下:單片機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.而單片機本身所帶的Flash存儲器只有8K，而且單片機中還需要運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)、PB6(MISO主進從出)、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)定為單片機的從屬設(shè)備，可在單片機提供的時鐘脈沖頻率下被訪問，單片機與存儲器的通訊速度可在單片機相應(yīng)通訊寄存器進行設(shè)置，其具體的通信電路如圖3所示.

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

系統(tǒng)在PC機中設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，用來保存單片機采集到的多個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現(xiàn)對銅板A和銅板B的溫度控制.單片機在PC機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波特率進行通信［2］，其通信連接如圖4所示.

圖4 單片機系統(tǒng)與上位機通信框圖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“溫度采集軟件系統(tǒng)”，其主要負責對多個溫度傳感器進行實時溫度采集，如圖5所示;然后為“上位PC機的軟件系統(tǒng)”，其主要負責對下位單片機發(fā)送控制命令并通過通訊接口接收單片機上傳的溫度信息，再將接收到的數(shù)據(jù)進行提取、計算、分析、存儲，如圖6所示.

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

當單片機通電后，溫度采集系統(tǒng)自動運行，軟件程序驅(qū)動單片機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，單片機等待DS18b20溫度傳感器將自然溫度值轉(zhuǎn)換成16位二進制數(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)容傳送到單片機中［3］，單片機根據(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PC軟件主要負責向下位單片機發(fā)送控制命令，使單片機能夠按照上位機軟件系統(tǒng)的要求對符合ROM編號的溫度傳感器進行溫度采集，并將采集到的結(jié)果傳送到上位機進行處理.單片機在對溫度傳感器進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)換成帶有正負號的十進制小數(shù)形式，而單片機特別不適合進行浮點運算，因此，單片機通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位PC機進行統(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機軟件系統(tǒng)框圖Fig.6 Diagram of PC software system

4 總結(jié)

保溫材料傳導系數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計的核心是保證檢測過程中高質(zhì)量的重復性.行業(yè)中許多測試機構(gòu)同樣采用熱傳導的方式來進行測量，但是其對同等材料檢測的重復率較低，主要原因如下:第一，因為傳導熱量極其細微，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，再用銅水進行澆注，使傳感器徹底成為銅板一部分，從而保證傳導檢測靈敏;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，該儀器與其他廠家所開發(fā)的儀器相比，其重復率、準確度、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串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離通信［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.