基于單片機(jī)的炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料的電阻一溫度測量系統(tǒng)

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，對于具有導(dǎo)電功能的高分子材料的需求越來越迫切。導(dǎo)電復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、無銹蝕、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)，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)為核心，設(shè)計(jì)一種簡易的測量炭黑復(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)通過熱電偶放大器芯片采集當(dāng)前的溫度值；通過電壓轉(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，還可以通過串行口和上位機(jī)上進(jìn)行通信。

l 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，則可以測量O℃以下的溫度。為了使其自身發(fā)熱最小化，一個(gè)無負(fù)載的AD594／AD595的總電流是160μA，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都測試過在不同溫度時(shí)對零點(diǎn)進(jìn)行測量時(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800μW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O．032℃。如圖2為AD595的測量誤差分布。

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腳輸出與溫度對應(yīng)的電壓變化，變化系數(shù)為10 mV／℃，該電壓經(jīng)過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．OV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O．01％；工作頻率低，到O．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，無需外加監(jiān)控芯片，通過軟件設(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空白器件進(jìn)行編程。

單片機(jī)采集電阻信號(hào)時(shí)，通過一個(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5所示，該電路下載速度快，工作穩(wěn)定。采用Easy51Prov2．O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)問有些是不能確定的，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語言程序(略)，程序流程如圖7示。

6 調(diào)試過程及結(jié)果

將被測信號(hào)放大，通過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，通過轉(zhuǎn)換計(jì)算，得到被測信號(hào)的數(shù)值。

電阻測量：利用恒流源，將恒定電流流過被測試樣并將電壓值轉(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。

溫度測量：用K型熱電偶測量溫度，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。該測試系統(tǒng)測試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

利用單片機(jī)構(gòu)建的這樣一個(gè)電阻一溫度測量系統(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，可使測量結(jié)果更加直觀方便。