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

摘 要：以AT89S51單片機(jī)為核心，采用熱電偶放大器芯片AD595，設(shè)計(jì)炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料的電阻一溫度測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電阻和溫度的測量。介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法，特別是溫度和電阻的采集和顯示過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠方便準(zhǔn)確地測量電阻和溫度的變化，測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料的PTC特性。
關(guān)鍵詞：熱電偶放大器；AD595；電阻一溫度測量；AT89S51；導(dǎo)電材料

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(duì)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(duì)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(duì)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。