數字化智能液體汽化熱測量系統研制*

郭 茜

(江蘇大學電氣信息工程學院 江蘇 鎮江 212013)

王國余

(江蘇大學理學院 江蘇 鎮江 212013)

邱俊峰

(江蘇大學電氣信息工程學院 江蘇 鎮江 212013)

數字化智能液體汽化熱測量系統研制*

郭 茜

(江蘇大學電氣信息工程學院 江蘇 鎮江 212013)

王國余

(江蘇大學理學院 江蘇 鎮江 212013)

邱俊峰

(江蘇大學電氣信息工程學院 江蘇 鎮江 212013)

針對傳統的液體汽化熱測量實驗過程繁瑣、測量誤差大的不足，設計和制作了一種基于單片機開發的數字化智能液體汽化熱測量實驗系統.該測量系統以K60單片機為核心，用壓力傳感器精確測量液體質量，單片機閉環控制可控硅的接入電阻使加熱器恒壓加熱液體，排出的液體蒸氣的質量由單片機A/D采集的電壓變化量并結合均值濾波實時計算得出，對干擾與誤差進行去噪與優化處理.

汽化熱測量 單片機 PID控制 均值濾波

1 引言

汽化熱是物質的一種物理性質.物質由液態向氣態轉化的過程稱為汽化.單位質量的液體汽化為同溫度的蒸氣時所吸收的熱量叫做液體的汽化熱.汽化熱的測量大部分采用電熱混合冷凝法.混合冷凝法在實驗時將汽化了的水蒸汽通過導管輸入冷凝器中，蒸汽在冷凝器中凝結，測出冷凝水的質量和冷凝過程中放出的熱量，就可以測出水的汽化熱.用這種方法測量水的汽化熱不僅設備復雜，操作也不方便，而且測量結果的不確定度也比較大[1].

隨著電子技術，特別是微電子技術的發展，越來越多的嵌入式芯片被應用到傳統的實驗之中，使原本操作復雜、難于控制、測量精度不足的實驗變得簡單可靠、易于操作.因此，本文提出一種基于K60單片機的數字處理液體汽化熱測量系統，實時電壓控制以及實時質量的測量均由數字系統自動完成.操作者既可以根據OLED顯示屏的讀數記錄實驗數據，計算汽化熱，也可以在實驗結束時直接讀出由單片機計算出的汽化熱數值.

2 實驗原理

汽化熱與汽化時的溫度有關，液體的汽化熱隨著溫度的升高而減小.以測定水在沸騰時的汽化熱為例介紹本裝置的實驗原理.

電加熱器中裝有適量水，接通電源，調節電壓為U1，待水沸騰并穩定后開始計時，同時,讀出電子秤的示數m1，經過時間t后，再次讀出電子秤的示數m2，儀器向外界散發的熱量為Q1.

根據能量守恒定律，電壓源做功

(1)

調節電壓為U2，重復上面的步驟，得到數據m3，m4和Q2.同樣可得

(2)

由于兩次加熱時間相同且外界環境變化不明顯時，可把兩次散熱近似看作相同，即

Q1=Q2

(3)

式(1)-(2)得到水的汽化熱

(4)

3 系統設計

本實驗裝置主要由3部分構成：電壓控制模塊、質量采集模塊以及實時顯示模塊.裝置的整體設計框圖如圖1所示.

圖1 裝置系統框圖

為了提高測量精度，本實驗裝置在硬件上選擇精度較高、反應較為靈敏的傳感器，如SPT205B精密電壓互感器、高精度HX711AD采集模塊等；在軟件上采用一系列經典控制算法對干擾與誤差進行去噪與優化處理，如均值濾波算法、PID閉環控制算法[2]等.

3.1 電壓控制模塊

電壓控制模塊包括空氣開關、可控硅調壓裝置、舵機、電加熱器(塑料水壺和電熱絲)、SPT205B電壓互感器、GBJ2510整流橋和電源插座.

其原理圖如圖2所示，閉合空氣開關，打開單片機控制電路，設定需要的電壓.此時，單片機會不斷采集并聯在電加熱器兩側經電壓互感器等比例縮小后，再經過整流橋整流后的實時電壓值，然后經過折算得到真實電壓值，將此時的電壓真實值與想要達到的目標值進行比較，運用PID算法，控制舵機的打角，從而控制可控硅的接入電阻，最終實現控制電壓的目的.

圖2 電壓控制模塊原理圖

電壓的控制采用PID算法，此算法對電壓變化的時效性要求很高，在采樣電阻兩端并聯上濾波電容會使交流電壓變成直流電壓，此舉雖然易于單片機測量，卻會使電壓變化的時效性大大降低，無法滿足控制的要求.因此，本裝置采用均值濾波算法.

交流電的周期為0.02 s，整流后周期變為原來的一半，即0.01 s.K60單片機的定時中斷PIT可以達到1 μs的精度，通過示波器測量，在10 ms內K60的A/D采集可以達到40次.因此，本裝置利用PIT定時中斷，每隔40 ms中斷一次，每次中斷期間進行40次A/D采集，即整流后的一個周期，然后對采集到的40個值取平均，得到電壓的平均值，最后根據平均值與有效值的換算公式

(5)

計算出實時電壓值.

3.2 質量采集模塊

質量采集模塊由壓敏電阻和高精度HX711AD采集模塊構成.

質量采集模塊的原理如圖3所示，將5 V直流電源接在電橋的上端和下端，將電橋的左端和右端接在HX711AD采集模塊上，打開單片機控制電路.

圖3 質量采集模塊原理圖

單片機向HX711發送A/D采集指令，HX711會檢測電橋左右兩端的差分電壓，采集完成后，將數據傳輸給單片機，單片機會根據差分電壓的數值計算出此時物體的質量.

HX711內部結構如圖4所示，本裝置采用A通道128增益采集差分電壓的數值.DOUT為數據輸出管腳，PD_SCK為串口時鐘管腳.當DOUT為高電平時，表明芯片還未準備好輸出數據，此時PD_SCK應置為低電平.當DOUT變為低電平時，表明芯片已經準備好輸出數據，此時PD_SCK應輸入25個時鐘脈沖.第一個時鐘脈沖讀出數據的最高位，第二個時鐘脈沖讀出數據的次高位，直至第24個時鐘脈沖完成24位數據的傳輸.第25個時鐘脈沖用來選擇下一次A/D轉換的輸入通道和增益.

圖4 HX711內部結構圖

由于差分電壓很小(毫伏級)，非常容易受到外界的干擾，因此，對采集回的數據進行濾波非常重要.經過分析和測試，采用限幅濾波和眾數濾波可以較好地解決這一問題.具體方法如圖5所示.

3.3 實時顯示模塊

實時顯示模塊由OLED液晶屏構成.

OLED液晶屏具備自發光、不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快等特點，具有許多LCD顯示屏不可比擬的優勢.其工作原理如圖6所示.

只需將OLED液晶屏的引腳與K60的對應引腳相連接，調用相關函數便可以實時顯示實驗數據.

圖5 濾波程序流程圖

4 實驗結果與分析

裝置設計完畢后進行測試實驗，驗證儀器的可靠性.

以水作為待測液體，注入實驗裝置.查閱相關資料可知水在100 ℃時的汽化熱為2 256.69 kJ/kg，由電橋法[4]測量出電熱絲的阻值為42.3 Ω.

實驗數據如表1所示.根據式(4)計算出相應的測量值如表2所示.其中，序號1和2是對照實驗，僅改變測試時間；1和3也是對照實驗，僅改變測試電壓的差值.

實驗結果表明：最大誤差為-70.0 J/g，最小誤差為36.7 J/g，平均誤差為-31.6 J/g，誤差滿足測量精度要求.由對照實驗可以看出：在一定范圍內，測量精度隨著測試時間的增加而提高，隨著測試電壓差值的減小而降低.

表1 實驗數據

表2 實驗結果

5 結論

經過不斷調試和改進，成功開發出基于K60單片機的智能液體汽化熱測量系統.測試結果表明：該裝置的測量值與理論值之間的相對誤差在5%以內，說明本裝置的精度較高.運用單片機控制實驗全程使實驗易于操作，除了水，其他無毒液體的汽化熱均可由該裝置測量，具有很好的應用前景.

1 孫現亭，姬鵬飛，萬明理. 汽化熱實驗裝置的設計. 河南教育學院學報，2015，24(2)：71～73

2 劉國海，楊年法. 自動控制原理. 北京：機械工業出版社，2014

3 王正林，龔純，何倩. 精通MATLAB科學計算. 北京：電子工業出版社，2007

4 許伯強，王紀俊，曹國榮，等. 大學物理實驗. 鎮江：江蘇大學出版社，2011

Development on the Digital Intelligent Liquid Vaporization Heat Measurement System

Guo Qian

(School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu 212013)

Wang Guoyu

(Faculty of Science，Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu 212013)

Qiu Junfeng

(School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu 212013)

The traditional liquid vaporization heat measurement installation have some deficiencies. Firstly, the complicate installation make experiment difficult to do. Secondly, the error it committed is large. Thus, we design and make a digital intelligent liquid vaporization heat measurement system based on SCM, in order to improve the intelligence and controllability. The system based on K60 SCM use the pressure sensor to measure the mass of liquid. K60 controls the access resistance by closed loop control to keep heater working at constant voltage. Furthermore, the mass of vapor can be calculate in real time, calculated through a variation of voltage gathered by A/D and average filter, which can remove the noise and interference.

liquid vaporization heat measurement；SCM；PID control；average filter

*江蘇大學高等教育教改研究課題，項目編號：2015JGYB043

郭茜(1996- )，女，在讀本科生，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置.

王國余(1968- )，男，博士，副教授，主要研究方向為大學物理實驗.

2016-10-20)