基于單片機的瀝青智能軟化點測試儀

引言

　　直徑為10mm的瀝青球試樣安放于浸泡在傳熱介質(zhì)中的支架上，當加熱到一定溫度時，瀝青熔化，此時從試樣上會有瀝青溶液通過支架上的孔滴下，被裝在其下面的光電檢測裝置檢測到，這時的溫度就為瀝青的軟化溫度。整個過程在1000mL的燒杯里進行。

　　1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　整個系統(tǒng)為以AT89C51單片機為核心的控制器，硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示，可以分為以下幾個部分。

　　(1)單片機及鍵盤、顯示器等外圍電路采用AT89C51單片機芯片作為處理器，其片內(nèi)自帶4KB的E2PROM，且指令系統(tǒng)與Intel MCS-51完全兼容。本系統(tǒng)采用匯編語言編程，控制程序容量約2KB，所以不需另外擴展程序存儲器，使得控制電路得到簡化，另外芯片內(nèi)的128個字節(jié)的用戶RAM也足夠系統(tǒng)使用。

　　根據(jù)儀器操作的需要，在儀器面板上設(shè)計了兩個按鈕，—個是“測試”鍵，另一個是“結(jié)果”鍵，由P1.0和P1.1分別控制。上電后，按下“測試”鍵，P1.1輸入低電平，儀器啟動，否則不啟動;任何時候按下“結(jié)果”鍵，P1.2輸入低電平，此時若測試沒有結(jié)束，顯示結(jié)果變?yōu)榱悖魷y試己結(jié)束，顯示軟化點溫度。

　　為避免系統(tǒng)擴展并行接口芯片，采用單片機串行接口方式0的輸出方式，外接兩片74LS164移位寄存器來構(gòu)成八位LED顯示器接口，其一片的輸出端通過PNP型三極管用來作顯示器的位控，接至顯示器的字位口;另一片輸出控制要顯示的數(shù)據(jù)碼，且為了提高驅(qū)動能力，在該芯片輸出端接一片74LS245輸出數(shù)據(jù)至顯示器的字型口，使輸出電流擴大至20mA。八位顯示器中左四位為時間顯示，單位為分，右四位為溫度顯示，單位為℃，均精確到小數(shù)點后面一位。

　　(2)加熱控制回路采用晶閘管控制加熱回路的觸發(fā)，在回路中接有加熱指示燈，測試時通過觀察儀器面板上指示燈的亮與滅得知電阻絲的加熱與停止。當監(jiān)控程序判斷出需要加熱時，單片機P1.4口發(fā)出低電平，使PNP型三極管8850導通，經(jīng)MOC3041光電隔離，在其4引腳輸出晶閘管的觸發(fā)控制信號，使晶閘管觸發(fā)端觸發(fā)導通，加熱電阻絲由220伏的交流電供電加熱;當控制程序判斷出需要停止加熱時，單片機P1.4口發(fā)出高電平，使8850處于截止狀態(tài)，停止電阻絲的加熱。電路抗干擾能力強，輸入輸出完全隔離，絕緣性能良好。

　　(3)溫度信號采集、放大及轉(zhuǎn)換回路采用P?N結(jié)型溫度傳感器——三極管9013來獲取溫度數(shù)據(jù)。這種傳感器靈敏度高，線性度好。其測溫范圍為0℃～+125℃，隨著溫度的升高其基極和發(fā)射極之間的電壓下降，變化率(溫度系數(shù))為2mV/℃。為了得到更高的測量精度，可以采用軟件補償?shù)姆椒?，根?jù)9013的溫度-電壓特性曲線，計算出每個溫度數(shù)據(jù)下需要補償?shù)碾妷褐担贏/D轉(zhuǎn)換程序中加以補償。9013測得的電壓信號經(jīng)帶有差動輸入的通用集成運放LM324進行放大。

　　為把放大器輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入給單片機，采用LM331型壓頻變換器。LM331的輸入信號即為放大器的輸出電壓，經(jīng)LM331轉(zhuǎn)換為一定頻率的脈沖，該脈沖信號直接連到AT89C51的T1端(片內(nèi)定時/計數(shù)器T1的外部計數(shù)輸入端)，由T1計該脈沖序列的個數(shù)，從而實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。LM331的電壓信號輸入端的值為0～10V，相應(yīng)的輸出端的頻率信號為10～10kHz。由于LM331輸出的是頻率信號，所以抗干擾能力強，線性度高，且傳輸簡單、方便。只需1根輸出信號線與單片機直接連接，大大節(jié)約了系統(tǒng)端口資源，簡化了控制電路設(shè)計。

　　(4)檢測回路為了確?？煽康貦z測瀝青軟化，安裝了兩個光電檢測裝置，當兩個檢測裝置都檢測到瀝青軟化(瀝青溶液滴下，把檢測裝置光發(fā)射端的光擋住，使接收端收不到光)時，則其輸出端分別發(fā)出高電平信號。為了防止水中雜質(zhì)及水沸騰產(chǎn)生的水泡引起的微弱信號使檢測裝置發(fā)生誤動作，用運算放大器LM324作電壓比較器，只有當輸出信號具有一定強度才能使電壓比較器輸出高電平;該信號分別經(jīng)三極管連接使P1.6和P1.5得到低電平輸入信號;當P1.6和P1.5同時檢測到低電平時才認為瀝青已軟化。此時，加熱回路被切斷。實驗結(jié)束，記錄下該時刻的溫度，該溫度值即為瀝青的軟化溫度。

　　2系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。AT89C51的T0用來控制加熱與停止的時間，時間基準為2ms，工作于方式0下的中斷方式;T1工作于方式0計LM331輸出的脈沖數(shù)，由于LM331輸出的最大值為10kHz，故T1不可能計滿溢出。主程序包括系統(tǒng)的初始化模塊、溫度控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊、標準數(shù)據(jù)存儲模塊等。中斷服務(wù)程序包括鍵盤處理和數(shù)據(jù)顯示等。初始化的內(nèi)容包括堆棧指針、中斷允許寄存器、定時器的工作方式寄存器等的設(shè)置，定時器初值的設(shè)置，定時器的啟動，內(nèi)部RAM單元的清零等。在中斷服務(wù)程序中，每隔0.5秒掃描一次鍵盤程序，每隔1.2秒讀一次A/D轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)。由于升溫過程不是一個線性過程，必須進行實時控制。在控溫程序中，將讀得的溫度數(shù)據(jù)與標準溫度數(shù)據(jù)進行比較，若超過該標準數(shù)據(jù)，即進行超溫處理，否則進行欠溫處理。

　　主程序流程圖見圖2，其中的控溫程序流程圖見圖3。?

　　3結(jié)束語

　　經(jīng)過實際使用，該瀝青軟化點儀測試精確，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。在實際使用中，為了使溫度場均勻，在容器中添加了磁力攪拌，進一步提高了測試的精確度。