工業淬火介質性能測試儀設計

馬麗 周一民

摘 要： 為了有效測量工業淬火介質的工作特性，應用熱電偶法對淬火過程中淬火介質溫度進行實時測量并存儲。設計中K型熱電偶將采集的溫度信號轉換為電信號輸入到AD595中進行冷端自動補償、線性化和放大處理。再將處理后的信號經過TLC1543十位AD轉換器將模擬量轉換為數字量作為STC89C52單片機的輸入，單片機將采集到的溫度信息按軟件法線性化處理后，用LCD1602液晶顯示器實時顯示并儲存到SD卡中。通過Proteus系統仿真，檢驗了本方案的可行性，為裝置實物化提供了理論支撐。

關鍵詞： 淬火介質； K型熱電偶； STC89C52單片機； SD儲存卡

中圖分類號： TH 89 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）03-0092-03

0 引 言

液態淬火介質在實際淬火過程中可分為發生物態變化和不發生物態變化兩種情況[1]。目前對于熱電偶法測試淬火介質的性能研究主要體現在兩個方面：一是數據的采集、處理和顯示方法研究；二是對實驗熱探頭的研究[2]。由于傳統的測試裝置大都成本高、結構復雜，為實現實驗裝置的智能化和簡單化，本文主要研究溫度的實時采集與儲存系統。本文采用熱電偶法對探頭溫度進行實時檢測，并對熱電偶輸出的微弱電信號進行放大與濾波處理，將A/D轉換模塊得到數據經單片機計算后用顯示模塊實時顯示，并將顯示內容儲存在SD卡中以方便以后的數據分析。

1 系統硬件設計

1.1 溫度信號采集放大電路設計

AD595是一種專門用于熱電偶信號冷端補償和信號放大的芯片，加上外圍電路后性能更穩定[3]。本文需要測定熱探頭在850 ℃至300 ℃之間的變化特性，熱電偶信號經過AD595過濾放大要到達10 mV/℃的輸出。但是A/D轉換芯片的參考端電壓只有5 V，經計算AD595輸出信號至少經過1/2分壓之后才能達到輸入要求。本文設計AD595的信號采集放大電路如圖1所示，因為此電路不采集負溫，當正電源達到15 V時可測1250 ℃的溫度，所以該電路僅以12 V單電源供電即可滿足測試低于1000 ℃的要求。

1.2 系統主電路設計

本文選用STC89C52系列單片機作為系統控制器[4-5]。因為本測試裝置要求度采集精度達到1℃，且短時溫度可到達1000 ℃左右，所以至少選用一個10位的AD轉換器才能滿足測試需求。因此，本文選用TLC1543轉換器，為了儲存及通信方便，也將采集到的信息通過主控芯片時時儲存到SD卡中。

本文系統工作流程如圖2所示。在對SD卡進行讀寫操作之前需要先對其進行初始化操作。當溫度信息經過TLC1543轉換后變成數字量，采用 LCD1602顯示溫度、時間和溫度的變化率。在向液晶寫入內容之前需要對液晶進行初始化操作。系統電源部分設計如圖3所示。

2 系統軟件設計

2.1 溫度采集部分軟件設計

2.1.1 溫度采集實現功能

為了更準確地測得實驗結果及分析，溫度采集系統的軟件設計需要實現以下功能：

（1） 當按鈕S2按下時，系統開始工作。由于剛開始探頭的溫度可能不止850 ℃，則軟件系統需設定當溫度低于850 ℃時才開始溫度采集。

（2） 當熱電偶在工作時出現斷偶情況時，單片機需發出報警信號。

（3） 當溫度下降到300 ℃時停止溫度采集，系統保持靜默狀態。

2.1.2 溫度采集線性化處理

（1） 采集溫度與AD595輸出電壓關系。在測試過程中，為更好地達到測試要求，根據實驗特點，本文選用切比雪夫擬合法對采集到的數據進行近似處理，經過此過程處理后，最后測得的溫度誤差將進一步縮小。AD595輸出電壓與被測溫度的關系為

式中：V0為AD595輸出電壓；Vm為熱電偶輸出電壓。

（2） 溫度轉換后還原。由于測得的溫度信號經過AD595放大后輸出電壓信號將超過5 V，所以AD595輸出電壓需要1/2分壓后再輸入到TLC1543輸入端，然后再經過A/D轉換器轉換為10位數據。

由于A/D轉換器輸入電壓為VIN=×500，可得AD595輸出電壓為V0=2VIN，其中ADC表示A/D轉換器轉換后的結果。即當V0<5859時，將帶入式（1），否則帶入式（2）可得采集到的溫度值。

2.1.3 溫度采集主要寄存器設置

（1） I/O口設置。本文將P32口作為信號輸入接口、P33口作為地址輸入接口、P34作為片選接口、P35作為輸入/輸入時鐘接口。當按鈕S2按下，單片機采集到P30口端為低電平，系統開始工作。系統正常工作時，AD595的ALM+端輸出為高電平，此時光耦導通C端電壓為負，蜂鳴器不響。當光耦斷耦時，此時C端電壓為正，蜂鳴器報警。

（2） 定時器設計。溫度采集需測得溫度隨時間的變化過程與溫度的變化速率，要計算系統運行的時間。本文選用定時器T0工作在方式1，晶振頻率fOSC=12 MHz，定時50 ms，中斷兩次定時0.1 s。

2.2 溫度儲存軟件設計

溫度信息經過單片機計算處理之后還需用SD卡儲存以便之后的數據處理。本文通過軟件法模擬出SPI總線模式的工作時序。SPI總線模式可以是單塊操作也可以是多塊操作，單塊操作過程中寫入的字節長度只能是512字節，如果寫入正常，SD卡對每一個寫入的數據都會有一個低五位是00101的應答信號。在讀取數據的過程中，當其命令字為CMD17時，響應字節為0xFE時才表示SD卡能夠正確接受一個命令字，之后接收的才是512字節的數據塊，最后兩個字節為CRC驗證碼。

3 系統仿真

本研究是基于Proteus的系統仿真。Proteus軟件是一款專門用于單片機設計仿真的專業軟件，實際設計過程中，一方面需要先將裝置所需要的硬件電路在Proteus中繪畫出來并檢查其電氣特性；另一方面需要在Keil軟件中進行單片機程序的調試。經過反復修改硬件電路及程序，最終達到實驗要求。

本文仿真過程中，由于Proteus中沒有關于SD卡的元器件及仿真功能，所以只能仿真熱電偶采集溫度的轉換過程，由圖1可得當熱電偶溫度顯示為641 ℃時，AD595輸出經分壓后輸出為3.21 V，因為電壓經過了1/2分壓，所以其真實輸出為6.42 V，基本滿足10 mV/℃的實驗要求；圖2中，如屏幕顯示為640 ℃，具有微小誤差，時間部分顯示正常；由于仿真過程中手動調節熱電偶溫度速度慢，系統反應慢，所以溫度變化速率部分顯示為0，整個系統基本符合要求。

4 結 論

本文采用熱探頭法對淬火介質進行性能測定，為了能更準確地測得溫度信息，除了使用K型熱電偶專用的信號放大整合芯片AD595外，還使用十位的AD轉換器TLC1543對信號進行數字化處理，使溫度的顯示精度達到1℃，能夠滿足工業現場的測試要求。此外，該系統的硬件電路經過Proteus單片機專用仿真軟件進行仿真，結果顯示此設計基本符合測試要求，對設計的實物化具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 張克儉. 淬火介質的冷卻特性曲線究竟說明了什么[J].熱處理技術與裝備，2007（4）：25-28.

[2] 萬麗君. 基于虛擬儀器的淬火介質冷卻特性測試系統設計[D]. 武漢理工大學，2006：66.

[3] 吳方，鄧素平. 11通道10位A/D轉換器TLC1543及其在單片機系統中的應用[J]. 微電子技術，2002（6）：44-48.

[4] 唐繼賢. 51單片機應用系統開發[M]. 上海：上海科學技術出版社，2012：128-139.

[5] 郭天祥. 單片機語言C51應用實戰集錦[M]. 北京：電子工業出版社，2009：315-345.