（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的双平板导热系数测定仪的开发.pdf

中文摘要 热量从温度较高的物体传到与之接触的温度较低的物体，或者从一个物体中 温度较高的部分传到温度较低的部分叫做导热。导热系数是物体固有的物性参 数，是衡量材料热物理性质的重要参数之一，对于材料的使用具有重要指导意义。 测定导热系数的方法和仪器有多种。其中，广为采用的保护热板法是基于傅立叶 一维稳态导热原理测量材料的导热系数，即测量通过被测样品的热流和温度梯度 求得其导热系数。该方法具有量程广、无需在测试前进行系统标定等优点。导热 系数测定仪可以广泛用于耐热和保温材料的生产企业、相关质量检验部门和单 位、高等院校和研究所等科研单位。 本课题从傅立叶稳态导热原理出发，提出了一种新型导热仪，该仪器的组成 分为双平板装置和智能测控系统两部分组成。其创新点在于用a r m 作为微处理 器，其特点是通过嵌入式系统和友好的人机界面实现仪器的全自动控制、数据采 集和处理以及导热系数的计算、显示和打印输出，具有测量时间短、数据准确、 自动化程度高、体积小等优点，是现代化的智能仪器。 本文的主要研究内容包括： 1 对导热仪的测量原理进行了分析，即傅立叶导热定律和双平板保护法的 测量原理： 2 完成了对原有模拟电路的改进，包括信号采集模拟电路和温度控制模拟 电路，使电路小型化并能适应新型导热仪的要求； 3 根据对导热仪的理论分析和功能需求，完成了基于a r m 的控制电路的设 计，包括芯片及元器件的选型，绘制电路原理图及p c b 制板等。步迸电机 的设计提高了仪器的自动化程度。液晶显示和键盘控制电路的模块化设计 使仪器无需p c 机控制，实现了仪器的小型化，并降低了成本； 4 设计实验完成了硬件电路的调试，包括仪器标定和放大倍数的调整，并 通过软件消除了硬件电路所带来的系统误差； 5 设计并调试了系统软件，对参比板的导热系数进行测量，并根据实验结 果对整机进行误差分析。 关键词：导热系数a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器稳态导热双 平板保护法 a b s t r a c t t h et h e r m a lc o n d u c t i o nh a p p e n sw h e nt h e r ei sat e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w o n e i g h b o r i n go b j e c t so rb e t w e e nt w oa r e a so fo n eo b j e c t t h ec o e f f i c i e n to ft h e r m a l c o n d u c t i o ni sa l li n h e r e n tp h y s i c a lp a r a m e t e ro ft h em a t e r i a lg i v i n gi t st h e r m a l c o n d u c t i o nc a p a b i l i t y t h e r ea lem a n yd i f f e r e n tw a y sa n di n s t r u m e n t st om e a s u r e t h ec o e f f i c i e n to ft h e r m a lc o n d u c t i o n t h eg u a r d e dh o tp l a t em e t h o d ，b a s e do nt h e f o u r i e ro n e - d i m e n s i o n a ls t e a d y - s t a t et h e r m a lc o n d u c t i o nt h e o r y , i st h em o s tw i d e l y u s e do n e a c c o r d i n gt ot h ef o u r i e rt h e r m a lc o n d u c t i o nt h e o r y , t h ec o e f f i c i e n to f t h e r m a lc o n d u c t i o nc a nb eo b t a i n e db ym e a s u r i n gt h et h e r m a lf l o wt h r o u g ht h e s a m p l eo rt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h es a m p l e t h eg u a r d e dh o tp l a t em e t h o dh a sa w i d em e a s u r i n gr a n g e ，a n di np r i n c i p l e ，n oc a l i b r a t i o ni sr e q u i r e ds i n c ei tu s e st w o s a m es a m p l e ss y m m e t r i c a l l yp l a c e do nt h et w os i d e so ft h eh o tp l a t e s t h et h e r m a l c o n d u c t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa r ew i d e l yu s e di nh e a tp r e s e r v a t i o n m a t e r i a lm a n u f a c t u r i n gf a c t o r i e s ，c o l l e g e s ，u n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e s i nt h i sp a p e r , an e wk i n do ft h e r m a lc o n d u c t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r i n gi n s t r u m e n ti s d e s i g n e da n dt e s t e d t h em e c h a n i c a lp a r to ft h ei n s t r u m e n ti sad o u b l e - g u a r d e dh o t p l a t es l r u c t u r e ，w h i l ei t se l e c t r o n i cp a r t , i n c l u d i n gi t sc o n t r o lm o d u l e , d a t ac o l l e c t i o n m o d u l e ，r e s u l td i s p l a ya n dp r i n t - o u t , i sb a s e do na r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) m i c r o p r o c e s s o r t h ei n s t r u m e n th a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c h 勰h i g hd e g r e eo f a u t o m a t i o n ，au s g rf r i e n d l yi n t e r f a c e ，s h o r tm e a s u r i n gt i m e ，h i g hp r e c i s i o na n ds m a l l v o l u m e t h em a i nw o r ko f t h et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v ea s p e c t s ： 1 d e s c r i p t i o na n da n a l y s i s o ft h ef o u r i e ro n e - d i m e n s i o n a ls t e a d y s t a t et h e r m a l c o n d u c t i o nt h e o r y ； 2 i m p r o v e m e n to fa n a l o gc i r c u i t s , i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o na n a l o gc i r c u i ta n d t e m p e r a t u r ec o n t r o la n a l o gc i r c u i t , w h i c hm a k e st h e ms u i t a b l e f o r t h en e w i n s t r u m e n t ； 3 a r mc o n t r o lc i r c u i td e s i g nb a s e do nt h er e q u i s i t i o n so ft h en e wi n s t r u m e n t , i n c l u d i n gt h ed e v i c es e l e c t i o n ，c i r c u i ta n dp c bd e s i g n t h ea u t o m a t i z a t i o nl e v e li s u p g r a d e db yt h ea p p l i c a t i o no fs t e p p i n gm o t o r , a n dt h el c d a n dk e y b o a r dd e s i g n l n a k e st h ei n s t r u m e n ts m a l l e ra n dr e d u c e st h ec o s tc o m p a r e dw i t hap c - b a s e d i n s t r u m e n t ； 4 h a r d w a r ed e b u g g i n g ，i n c l u d i n gi n s t r u m e n tc a l i b r a t i o na n dm a g n i f i c a t i o n a d j u s t m e n t ，a sw e l la se l i m i n a t i n gt h es y s t e me r r o rb ys o r w a r e ； 5 s o f t w a r ed e b u g g i n g ，t e s t so ft h es t a n d a r ds a m p l ea n de r r o ra n a l y s i sa c c o r d i n gt o t h et e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：c o e f f i c i e n to ft h e r m a lc o n d u c t i o n 。a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) m i c r o p r o c e s s o r , s t e a d y - s t a t et h e r m a lc o n d u c t i o n ，d o u b l e g u a r d e dh o t p l a t e l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耘板 签字日期 刁年月；夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 耘极 签字日期：力刁年月；。日 翩虢髻向 导师签名：亿) 彳 a 一j 签字日期：刀年月3 口日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 热量从温度较高的物体传到与之接触的温度较低的物体，或者从一个物体中 温度较高的部分传到温度较低的部分叫做导热1 1 】。导热系数是物体固有的物性参 数，表征物体导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的重要参数之一，对于材 料的使用具有重要指导意义。为了节约能源，很多工业领域、建筑领域都在研究、 生产耐热保温材料。导热系数是用来衡量耐热材料的导热特性和保温性能的重要 参数，耐热保温材料的性能由材料的导热系数决定。物质的导热系数取决于材料 的成分、空隙度、吸水性、含水量、内部结构和热传导时的环境与温度等诸多因 烈2 。导热性能的精确测定对于环境工程、建筑工程、工业工程、科研、节能等 都有重要意义。 材料热物性的各种测试方法一般可分为两大类：稳态法和非稳态法1 2 】。稳态 法：试样内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后， 借助测量试样每单位面积的热流速率和温度梯度，就可以直接测定试样的导热系 数。非稳态法：试样内的温度分布是随着时间而变化的非稳态温度场，借助测量 试样的温度变化速率，测定试样的热扩散系数a 。 目前世界上公认的热物性测试方法名称及分类卜7 】如图卜l 所示。 各种物质的导热系数，一般都是用不同的实验方法测定的。基于傅立叶导热 定律描述的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系 数的材料，这些方法包括f 8 | 9 1 ：热板法、保护热板法、热流法、保护热流法、沸 腾换热法等等。动态( 瞬时) 方法，如热线法、激光闪射法l j 们，主要用于测量高导 热系数材料或在高温条件下测量。此外，还有一些测量方法或测量技巧，包括热 脉冲法、准稳态测量法、恒功率平面热源法等，应用于特殊场合或特定的测量对 象。 第一章绪论 稳态法 纵向热流法 f r o b e s 棒法 径向热流法 绝对法 军釜萋二蓊呈喜裹藿嚣茎雾二翼喜再太高，真空环境 比较法 辈曩萎法c 参考试样的导热系数直接影响比较法的准确度， 混合法 绝对法 圆柱体法 圆球法( 椭圆法) 同心圆球( 圆柱) 法一主要测量粉末、纤维和其他松散材料 d es c n a r m o n 平板法 比较法 墓塞罢柱体法一用于测量放射性物质 直接电加热法 热电法 热比较法 非稳态法 f 纵向热流法一测量金属高温导热系数 圆柱棒法 径向热流法 i 细丝近似法 矩形棒法 周期热流法 袭皇冀羹萋 纵向热流法 军蓑萋 闪光法 瞬态热流法 径向热流法 线热源和探针法一适用于测量粉末状一类的松散材料 运动热源法 比较法 图1 - 1 热物性测试方法名称及分类 1 2 国内外导热仪的现状 1 9 9 0 年黎明化工研究院刘淑琴1 1 1 l 等人研制的r t m - g 5 型稳态法平板导热仪 第一章绪论 能简易而准确地测试绝热材料和复合材料的导热系数。该导热仪属于模拟式仪 表。 1 9 9 0 年东南大学施明恒、薛宗荣i lz j 等人采用准稳态恒热流平板法实现了快速 测定烟丝的各项热物性，并解决了测试中的一些技术问题。东南大学在导热仪研 制方面做了大量工作，现在已经具有几种不同型式的导热仪，如：s e i 准稳态 法非金属材料热物性测定仪、s ei l 准稳态法非金属材料热物性测定仪等。 2 0 0 5 年，西北大学李东风l l3 l 等人采用点热源比较瞬时法研制的流体导热系数 测定仪。其核心m c u 为单片机a n 旺g a 8 ，实现电子线路模块化设计，可用于测 量电解质溶液、非电解质溶液以及粘稠状流体的导热系数的测定。 在众多导热系数测试方法中，保护热板法以其温度范围宽、量程广、无需对 测量单元进行标定等优点直备受重视，所以迄今为止，已经有多家国内外企业 和科研单位成功地研制了基于保护热板法的导热系数测定仪，比较有代表性的列 举如下： 德国耐施仪器制造有限公司【1 4 】是全球顶尖级的热分析与热物性测试仪器专 业生产企业之一。它向国际市场提供一系列质量一流的具有世界领先技术的热物 性测试仪器。它推出了保护热板法导热仪4 5 6 系列如表1 1 所示。 表1 1 耐施保护热板法导热仪4 5 6 系列的技术数据 g h p4 5 6 lg h p 4 5 6 2g h p 4 5 6 3( 闲4 s 6 f 4g h p 4 5 6 5 式样形状圆形方形 式样最 直径 2 03 03 54 56 0 大尺寸 ( e r a ) 厚度57 57 51 01 5 推荐试样厚度 2 5557 51 0 ( c m ) 导热系数范围 o 0 1 4 - - 2 00 0 0 7 2 0 ( w m k ) 温度范围( ) 18 0 + 6 5 03 m 石5 02 5 5 5 0 m 之o o 可重复性 + - l 误差 + _ 4 使用条件 1l5 v 5 0 6 0 h z 3 0 a 或者2 3 0 v - 5 0 6 0 h z 2 0 a 天津市建筑仪器试验机公司生产的d r f - 1 型导热系数测定仪，用于测量各种 成型及复合型保温材料、不良导热材料的导热系数。其技术指标如下： 第一章绪论 导热系数测量范围：0 0 2 1 w ( m k ) ； 试件尺寸： 试件厚度： 热面温度： 冷面温度： 测试误差： 环境温度： 3 0 0 3 0 0 m m ： 1 0 6 0 m m ； 小于6 0 c ； 大于- 3 0 ； 小于4 ： 5 4 0 ： 冷面比冷却水温低：3 5 ： 重复性误差：不大于l 。 哈尔滨工业大学教学仪器分公司研制的热工教学实验系列t h 0 0 1 型非、准 稳态导热法测导热系数、常功率法测导温系数、热脉冲法测比热三种方法为一体。 通过不同的组合，可以简便、迅速地测得导热系数、导温系数、比热等热物性参 数。 但是，就现有的平板式导热系数测量仪器而言，普遍存在如下问题： 1 某些仪器仍属于模拟式仪表，或者只是用普通单片机作为核心m c u 。 2 多数仪器用冷却水浴来控制被测样品冷面温度容易使导热系数测量产生 误差。 3 时间太长，控制速度有待提高。 4 人机对话界面粗糙，没有热工测量基础的人很难迅速掌握操作方法。 1 3 本课题的研究意义和主要内容 针对上述问题，本课题研制了一种以微处理器a r m 为核心的新型双平板式 导热系数测定仪。a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一 家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t i n g 精简指令集计算机) 处理器、相关技术及软件1 15 1 。 a r m 的特点是外形小、性能高、功耗非常低。本仪器所选用的a r m 7 是a r m 通用3 2 位微处理器之一。该系列处理器提供t h u m b1 6 位压缩指令集和j t a g 软 件调试方式，支持o c o s i i 和l i n u x 等操作系统。广泛应用于多媒体和嵌入式 设备。 本课题研制的用a r m 作为微处理器的导热系数测定仪是将控制、数据处理 与显示单元嵌入到对象体系内部的现代化智能仪器。它没有水浴恒温设备，通过 嵌入式p c o s 1 i 实时操作系统和友好的人机界面实现仪器的全自动控制、数据 采集和处理以及导热系数的计算、显示和打印输出，具有测量时间短、速度快、 第一章绪论 数据准确、自动化程度高、无噪音、体积小等优点。 本仪器的测量对象是以隔热材料为主的导热系数较低的材料。本论文的主要 内容包括该仪器的测量原理、仪器的机械结构、电路设计、程序设计、技术指标 等，具体工作有以下几个方面： 1 第一章绪论，介绍基于保护热板法原理测量导热系数的仪器的现状，分 析了目前平板式导热系数测定仪所存在的问题，提出了本课题的研究意 义和本论文的主要内容。 2 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理，阐述了双平板保护法 导热系数测定仪的测量原理傅立叶导热定律。 3 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计，阐述了导熟仪的外形 结构、组成和各部分功能。如何根据各个功能要求选用合适的芯片和元 器件。并且详细论述了所采用的核心器件微处理器l p c 2 2 1 0 的接口技术 和硬件设计，包括最小系统、液晶屏接口、总线以及通用l o 口设计等。 4 第四章测控模块设计，主要论述了导热仪测控模块的设计，包括模拟与 数字部分的温度采集和控制电路，说明了电路中各个器件的选型及作用， 并推导了电压与温度之间的关系。 5 第五章实验与结果分析，本章详细论述了仪器各部分的硬件调试步骤与 软件调试，并测量参比板的导热系数，对测量结果进行了分析讨论。 6 第六章总结与展望，该章对以上内容进行了总结，指出了工作的突出之 处和有待改进的地方，并对今后的工作进行了展望。 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理 热量从一个物体传到另一个物体，或者从物体的这一部分传到另一部分是由 于存在着温度差，所以温度差是产生热量传递的动力。热量传递有三种基本方式： 导热、对流和热辐射。热量从温度较高的物体传到与之接触的温度较低的物体， 或者从一个物体中温度较高的部分传递到温度较低的部分叫做导剿1 6 l 。 导热的机理有两种。第一种是分子间的相互作用，根据这一点，处在较高能 级的分子把能量传递给邻近的处在较低能级的分子。这一类传热发生在有固体、 液体或气体组成，且有温度梯度存在的系统中。第二种导热的机理借助于主要存 在于纯金属固体中的自由电子实现。金属合金中自由电子的密度差别很大，而非 金属的自由电子的密度则是很低的。固体的导热能力直接随着自由电子的密度而 变化【1 7 1 。 导热基本上是一种需要温度梯度作为推动力的分子现象。温度梯度、导热介 质的性质和传热量这三者之间的关系式是傅立叶建立起来的，他于1 8 2 2 年首先 提出了通常所说的傅立叶导热定律i l 引。 2 1 傅立叶导热定律 导热仪的测量原理是建立在傅立叶导热原理基础之上的。傅立叶导热定律可 以表述为：任意时刻t ，各向同性的连续介质中任何地点的局部导热热流密度数 值上与该点的温度梯度成正比，方向相反。其数学表达式为： 孬= 痂= 以未元 ( 2 - 1 ) 负号表示热量传递方向和温度梯度的正方向相反，即和温度降度同方向。比 例系数l 称为导热系数( 或称热导率) ，单位是w ( m k ) 。导热系数的大小，表征 着物质的导热能力，它是物质的一个重要热物性参数。可以认为导热系数的定义 直接由傅立叶定律给出： a ：占 。g r a d t ( 2 - 2 ) 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理 可见，导热系数l 在数值上等于单位温度降度( 即1 k m ) 下，单位时间内在垂 直于热流密度的单位面积上所传导的热流量。 各种物质的导热系数，一般都是用不同的实验方法测定的。这些实验方法大 多是根据式( 2 2 ) ，即建立在测量通过被测样品的热流和温度梯度的基础之上的。 2 2 一维稳态导热分析 按照温度与导热过程的时间关系而言，导热可以分为稳态导热和非稳态两 种。温度不是时间的函数的导热过程称为稳态导热，反之则是非稳态导热。温度 是因变量，而且只有唯一的自变量哟导热问题称为一维导热问题i l9 。 平壁是工程上最常见的的一种实际物体，各种加热炉的炉壁都是平壁的具体 实例。如果忽略沿壁长度和宽度方向的导热，则平壁内的导热就可以看作是一个 一维导热问题。采用直角坐标，坐标原点设在平壁的一个边界面，坐标轴x 垂直 于平壁边界面。于是，平壁一维导热时，平壁各地点的温度将只是z 的函数。 无内热源的平壁一维稳态导热微分方程式为 d 2 万2 o 该方程通解为 = c l x + c 2 由傅立叶导热定律表达式，x 方向的热流密度为 g ：以车：旯 9 2 以五2 气l 旯 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 9 - 5 ) 可见，x 方向温度分布是一条直线，平壁所处的具体边界条件决定积分常数 c ，和q 。所谓边界条件就是指物体边界上的换热特点。在导热物体边界上，可以 是固体和固体接触，也可以是固体和流体接触。理论上边界条件可以有四种不同 情况。第一类边界条件专指给出导热物体边界上( 表面上) 的温度的情况。在边 界上，f 。可以随地点而变，也可以随时问而变。这里只研究最简单的情况，即。等 于常数时的导热特点。当两个边界面都处于第一边界条件时，如图2 1 所示， 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理 图2 - 1 单侧大平壁导热 反映平壁边界面热特点的数学式子为： 工= 02 l x = 最= 2 其中的d 为平壁的厚度。把式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 代回式( 2 4 ) ，得， g 2 7 ，c 2 = t 于是，平壁的温度分布为， 或者， = t 一7 工 1 x 2 一i 万 平壁的热流密度表达式为， g ：罢。一：( w m 2 ) g2 苫1 2 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理 平壁的温度分布已表示在图2 1 中。显然，这是一条直线。式( 2 9 ) 中不包含 导热系数a ，意味着在第一类边界条件情况下，平壁的温度分布与材料导热系数 无关。热流密度表达式( 2 1 1 ) 不出现坐标x ，意味着平壁q 是个常数，在平壁 内各个地点保持不变。 改写式( 2 1 1 ) ，有， g = 宁兰了a t ( w m 2 ) ( 2 - 1 2 ) 五 以及，根据热流量定义，应有， q = 叫= 宁量等( w ) 2 4 ( 2 - 1 3 ) 式中彳是平壁的表面积或平壁的任一横断面积；通常把，三万五( m 2 c i w ) 叫作 平壁单位面积导热热阻，简称单位导热热阻：r 三万( 五彳) ( 肘) 叫作平壁导 热热阻。 2 3 本课题基于的双平板保护法的测量原理 本课题采用双平板式结构测量材料的导热系数，测量对象是以隔热材料为主 的低导热系数材料，基本依据是中华人民共和国国家标准g b t 1 0 2 9 4 - 1 9 8 8 绝热 材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法，等效采用国际标准i s o d i s 8 3 0 2 绝热一测定稳态热阻和有关特性防护热板装置。 该结构的测量原理为是，在稳态条件下，防护热板装置的中心计量区域内， 在具有平行表面的均匀板状试件中，建立类似于以两个平行均匀温度平板为界的 无限大平板中存在的一维恒定热流1 2 训。 为保证中心计量单元建立维热流和准确测晕热流密度，加热单元应分为在 中心的计量单元和由隔缝分开的环绕计量单元的防护单元，并且需有足够的边缘 绝热和( 或) 外防护套，特别是在远高于或低于室温下运行的装置，必须设置外防 护套。 本仪器是基于傅立叶定律，即公式( 2 - 2 ) ，并且根据国标规定研制的。图 2 - 2 给出了双平板导热仪的导热原理示意图。 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测景原理 冷板1 h t、jht 、。 。jhi t、jjjl t jl j 、千千 护板 热板 护板 八， 今乃办沙 ，r u l 一 1，ij拊肘 。一 1r1， 、i ，1rr 冷板2 图2 - 2 双平板结构导热原理示意图 件1 件2 从双平板导热仪的结构可以看出，它由热板、护板和两个冷板三部分构成。 图中箭头表示热流方向，由图可见，热的流动方向从热板流向冷板。护板使热板 的边缘热流线不弯曲。如果护板温度与热板温度一致，则在热板边缘的热流线将 发生很小的弯曲现象，这样，就把边缘效应【2 l j 减小到很低程度。很显然，热板与 护板的缝隙越小，两者温度越接近，则边缘效应影响越小。因此，这就将热传导 理论简化了，可以用理论方程表示双平板导热仪的实际情况。 热板的作用使得热板加热后，热能只能单方向传导，即由热板向冷板方向传 导。由于有两个冷板，因此，热能向正反两个方向平行传输。当有试件在热板和 冷板之间时，热能由热板通过试件向冷板方向传输。 热板加热器产生的热量为： q = i u 式中，驴一加在加热器两端的电压，卜通过加热器的电流。 如果用r 表示加热器的电阻，则加热器产生的热量为： q = 1 2 r ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 根据热传输理论分析，即公式( 2 1 3 ) ，材料的导热系数与材料的厚度成正 比，与加在热面到冷面的温度差和平板试件的面积成反比。 五= q 丽d h ( 争1 6 ) 第二章双平板保护法导热系数测定仪的测量原理 将上式从冷面到热面进行积分，在理想条件下可以得到： 根据方程( 2 - 1 5 ) 、( 2 - 1 7 ) ，可以得到材料导热系数方程： 名：七! ：丝 a2 一l 方程( 2 - 1 8 ) 就是导热系数方程， 在双平板导热仪器中，常数k = l ， 因此，方程( 2 1 8 ) 改写成 1 2r h 2 a 2i ( 2 - 1 8 ) 其中k 是仪器常数。 同时，由于有两个相同试件和两个冷板， 方程( 2 - 1 9 ) 就是本课题研制的双平板导热仪的基本计算方程。 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计 本章将详细介绍导热仪的总体设计方案以及微处理器l p c 2 2 1 0 的接口技术 和硬件的模块化设计，其中包括芯片电源、外部时钟、存储器等最小系统以及总 线接口、液晶屏接口和通用l o 口的设置。 3 1 仪器总体设计 本课题设计的双平板导热系数测定仪的总体要求如下： 测量对象：是以隔热材料为主的导热系数较低的材料； 测量温度范围：0 1 2 0 ； 被测对象尺寸：直径为0 2 0 0 r a m 圆形平板，标准厚度为2 0 r a m ，最大尺 寸不大于5 0 m m ； 温度测量分辨力：0 0 1 ； 温度控制分辨力：0 0 5 ； 测量相对误差：3 ： 电源：2 2 0 v 交流供电； 测量模式：全自动测量。 该仪器总体上可以分为机械结构和电控两部分，下面分别介绍。 3 1 1 仪器结构 仪器的结构示意图见图2 2 。主要包括主加热板、护加热板、冷板，下面分 别进行简要说明。 主加热板：简称主板，又称主加热炉，圆型平板，直径为l o o m m ，内部有 加热器，是仪器的基本供热体，用于给试件加热。在主加热板内部装有一个温度 传感器，用来测量热板温度。 护加热板：简称护板，环状平板，主板镶嵌于其内。外径为0 2 0 0 m m ，内径 为o1 0 4 m m ，内部有护板加热器。护加热板的温度随时跟踪主加热板温度变化， 其功能是一方面使热板热量和外界没有热交换，同时又要保证护加热板没有热量 传给主加热板。保证主加热板和冷板的热流单向流动。护加热板内部装有两个温 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计 度传感器，用来测量护板温度。 冷板：圆形平板，其直径为2 0 0 r a m ，与护板外径相同。内部装置加热体， 以便加热。内部装有温度传感器，用来测量冷板的温度。 双平板导热仪需要同种试件两块，尺寸与护板相同，2 0 0 r a m ，标准厚度 为2 0 m m ，最大尺寸不大于5 0 m m ，分别放在主板和两个冷板之间，可以同时测 量两块试件的导热系数，取其平均值作为该试件的导热系数。 3 1 2 电控部分 从功能上讲，仪器的控制部分主要完成三个方面的工作：人机对话、实时测 量各路温度信号并控制炉体温度、参数计算。这三个功能模块彼此结合、互相影 响。例如，开机后，要由操作者设置冷热板温度、输入试件厚度；给热板和护板 加热过程中要实时测量各个热板和护板的温度，并根据温度控制各加热膜的功 率；判断达到设定的热平衡状态即稳态后，要进行参数计算，自动打印测量结果 等。并且在测量过程中，一直实时显示温度、功率等参数值。 测控系统的原理框图如图3 - 1 所示。 核心器件采用微处理器l p c 2 2 1 0 ，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的 1 6 3 2 位a r m 7 微控制器，有1 4 4 个管脚，其中可以使用的通用i o 口最多可以 高达1 1 2 个，完全满足本导热仪的设计需求。 温度测量由多个温度传感器完成。熟板温度传感器、护板温度传感器、冷板 温度传感器共计4 个，其中热板上有一个、护板上有一个、两个冷板上各有一个。 均选用w z p p t l 0 0 ，即工业用隔爆铂电阻，它是一种温度传感器，在工业处控系 统中应用极广，通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号，传递给 显示、记录和调节仪表，对系统实行检测、调节和控制。测温范围在一2 0 0 c + 5 0 0 ，精度可以达到a 级精度，即0 1 ，完全适合本课题研制的双平板导热仪。 热板加热器、护板加热器以及冷板加热器分别采用订制的加热膜，材料为康铜， 每一片加热膜的电阻值为2 0 欧姆，额定功率1 8 0 w ，具有稳定性好的特点。 采用z l g 7 2 9 01 2 c 接口键盘。1 2 c 串行接口提供键盘中断信号，方便与a r m 接口。z l g 7 2 9 0 提供数据译码和循环、移位、段寻址等控制，并可以检测任一 键的连击次数，由此可以实现用小键盘输入汉字的功能。 选用带中文字库的串行控制液晶显示模块v l c m 3 2 0 2 4 0 作为显示器件，该 液晶显示模块具有3 2 0 2 4 0 的点阵分辨率和标准r s 2 3 2 串行通信控制，可方便 地由a r m 控制。 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计 图3 一l 电原理方框图 3 2 嵌入式系统简介 3 2 1 嵌入式系统的定义和特征 经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作 和娱乐方式，而这些变化还在加速。嵌入式系统有无数种类，例如，m p 3 、数码 相机、打印机、汽车中的嵌入式系统等，而每一类都具有自己独特的个性。 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，下面给出两种比较合理的定义【2 2 】： 1 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积以及功耗严格要求的专用计算机 系统。 2 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的 计算机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完 整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以存放多个嵌入式系统。 嵌入式系统具有几个重要特征1 2 3 1 ： 1 系统内核小： 2 专用性强； 3 系统精简； 4 高实时性o s ； 5 嵌入式软件开发走向标准化； 6 嵌入式系统需要开发工具和环境。 嵌入式系统不等于单片机系统，它与单片机系统的区别在于1 2 4 】： 1 嵌入式系统是以3 2 位微处理器为核心的的硬件设计和基于实时操作系统 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计 ( r t o s ) 的软件设计。而单片机多为4 位、8 位、1 6 位机，不适合运行 操作系统，难以进行复杂的运算和处理功能。 2 嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用硬件 流水设计。 3 嵌入式系统设计的核心是软件设计( 占7 0 左右的工作量) ，单片机系统 软硬件设计所占比例基本相同。 3 2 2 嵌入式系统的分类 嵌入式系统可以分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p 处理器 和嵌入式片上系统四类1 2 5 1 ，下面将分别介绍。 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t , e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅减 小系统体积和功耗。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低及可 靠性高的优点，但是电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口以及各种外设等 器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储 器、总线和外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。 目前的嵌入式微处理器主要有：a m l8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 和删系列等。 2 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个系统集成到一块芯片中。嵌入式微 控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内集成i 的m e h 旧m 、r a m 、 总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i 0 、串行口、脉宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s hr a m 和e e p r o m 等各种必要功能和外设。 与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从 而使功耗和成本下降，可靠性提高，是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的 片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 及谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系 列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 第三章双平板保护法导热系数测定仪的总体设计 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i ( e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ，在大陆译为电子数据交换，有时也译 为无纸贸易。香港译为电子资料联通。国际标准化组织将e d i 定义为一种电子传 输方法。) 的推广和v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e z r a t i o n 超大规模集成电路) 设计 的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时 代已经来临，这就是s o c ，各种通用微处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库， 和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准器件，用标准的 v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通 过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样，除个别无法集成的器件以 外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或者几块芯片中去，应用系统电路板 将变得简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括l n f i n e o n 的t f i c o r e 、m o t o r o l a 的m - c o r e 、某些a r m 系列器件等。专用s o c 一般专用于某个或某些系统中， 不为般用户所知。一个有代表性的产品是p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单 片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形 成一个可以加载j a v a 或c 语言的专用s o c ，可用于公众互联网( 如i n t e m e t ) 安全方面。 3 3l p c 2 2 1 0 简介 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体厂商，其中包括p h i l i p s 。本 课题所采用的l p c 2 2 1 0 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位 删7 ) m 【sc p u 的微控制器。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位 t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 0 , 6 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 2 1 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 p w m 输出以及多达9 个外部中断使它们特别适用于多媒体和嵌入式设备，包括 i n t e m e t 设备、网络和调制解调器设备以及移动电话、p d a 等无线设备，也可以应 用在工业控制和p o s 机等。 通过配置总线，l p c 2 2 1 0 最多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通 信接u ，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软m o d e m 以及其它各 种类型的应用。 其特性如下1 2 6 j ： 1 1 6 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器。 2 1 6 k 字节片内静态r a m 。 3 串行b o o t 装载程序通过u a r t 0 来实现在系统下载和编程。 第三章