基于单片机的炭黑复合导电材料的电阻一温度测量系统

摘 要：以AT89S51单片机为核心，采用热电偶放大器芯片AD595，设计炭黑复合导电材料的电阻一温度测试系统，实现了电阻和温度的测量。介绍系统的硬件结构和软件设计方法，特别是温度和电阻的采集和显示过程。实验结果表明，设计的系统能够方便准确地测量电阻和温度的变化，测量数据验证了炭黑复合导电材料的PTC特性。
关键词：热电偶放大器；AD595；电阻一温度测量；AT89S51；导电材料

0 引 言
    随着电子工业及信息技术等产业的迅速发展，对于具有导电功能的高分子材料的需求越来越迫切。导电复合材料具有质量轻、无锈蚀、易于加工成各种复杂形状，尺寸稳定性好，电导率在较大范围内可调，易于大批量生产以及价格便宜等特点，因此广泛应用于抗静电、微波吸收、自控温发热材料、电磁波屏蔽等领域。其中，炭黑复合导电材料是目前应用最广，用量最大的一种。在此以AT89S51单片机为核心，设计一种简易的测量炭黑复合导电材料电阻和温度系统，系统框图如图1所示。

    单片机通过热电偶放大器芯片采集当前的温度值；通过电压转换电路采集电阻值，送到FM24C02以备查询，LCD显示当前的电阻和温度情况，使用者可以方便地读出电阻和温度的变化，还可以通过串行口和上位机上进行通信。

l AD595的工作原理与应用
    AD595是AD公司生产的一款热电偶放大器，将仪器放大器和热电偶冷接头补偿器全部集成在1块单片芯片上，产生一个10 mV／℃的输出。管脚的可选择性使其可以作为一个线性放大补偿器或者是设置工作点控制器的开关输出。
    AD595包含一个热电偶故障报警，如果热电偶的一脚或双脚开路，可以显示报警信号。报警输出有很多种灵活的方式，包括TTL形式。
    AD595能够用一个单端+5 V电压供电。如果用负电压，则可以测量O℃以下的温度。为了使其自身发热最小化，一个无负载的AD594／AD595的总电流是160μA，当然也可以把5 mA以上的电流传送给负载。
1．1 温度稳定性
    每个AD595都测试过在不同温度时对零点进行测量时的温度误差。冷接头补偿器的误差、放大器的偏移量以及增益误差等综合起来决定了AD595在额定环境温度范围内的输出稳定性。图2显示了AD595的测量误差分布范围。图2中的坐标单位为℃。
1．2 热环境效应
    AD595本身固有的低能量耗散以及低热阻抗的封装使得它由于自身发热引起的误差可以忽略。例如，在静止的空气中，芯片的环境热阻抗大约为80℃／W(D型封装)。在额定的800μW的耗散下，在自由的空气中自身发热误差小于0．065℃。浸没于液态的氟中，热阻抗大约为40℃／W，使得自身发热误差大约为O．032℃。如图2为AD595的测量误差分布。

    单片机采集温度值时，AD595的第1脚感受炭黑导电材料的温度变化；第8脚输出与温度对应的电压变化，变化系数为10 mV／℃，该电压经过LM358放大送至V／F单元进行转换，之后单片机把采集信息存放在FM24C04中。

2 V／F转换器件LM331
    LM331是美国NS公司生产的性价比较高的集成芯片，可作精密频率电压转换器使用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4．OV电源电压下都有极高的精度；同时，它的动态范围宽，可达100 dB；线性度好，最大非线性失真小于O．01％；工作频率低，到O．1 Hz时还有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V／F或F／V等变换电路，并且容易保证转换精度。电路见图4。

3 单片机AT89S51及ISP接口
    AT89S51单片机兼容MCS51微控制器，但比早期的AT89C51做了改进，内带看门狗定时器，无需外加监控芯片，通过软件设置就可保证系统可靠工作，并且支持在系统可编程，不需要从电路板上取下器件就可对空白器件进行编程。
    单片机采集电阻信号时，通过一个恒流源电路把炭黑的电阻转换成电压值，放大后转换成频率信号送至AT89S51，单片机把采集信息存放在FM24C04中以备查询。

    AT89S51的ISP有串口和并口2种方式，设计中采用并行下载接口方式，其与单片机的接口电路如图4所示，该电路下载速度快，工作稳定。采用Easy51Prov2．O软件即可完成在线编程。

4 显示电路T6963C
    在中规模图形液晶显示模块中，内置T6963C控制器的液晶显示模块是目前较为常用的图形液晶显示模块。内置T6963C控制器型液晶显示模块的驱动控制系统是由液晶显示控制器T6963C及其周边电路，行驱动器组，列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成。
    T6963C的最大特点是具有独特的硬件初始值设置功能，显示驱动所需的参数如占空比系数，驱动传输的字节数／行及字符的字体选择等均由引脚电平设置。这样T6963C的初始化在上电时就已经基本设置完成，软件操作的主要精力就可以全部用于显示画面的设计。T6963C使用了硬件初始化设置，所以使得其指令功能集中于显示功能的设置上，从而加强了T6963C的显示控制能力。
    T6963C指令的运行时问有些是不能确定的，这是因为有些指令的运行要受到当时控制部分的状态影响。T6963C指令中有的指令需要参数的补充，如地址指针的设置。T6963C指令参数的输入是在指令代码写入之前。T6963C的指令写入的流程图如图6所示。

5 软件设计
    系统软件按模块结构设计，主要包括设定初值，调用子程序以及设置各个接口状态，读／写操作控制等部分。单片机控制软件主要完成下面几个功能，即V／F转换控制、电阻值和温度显示以及计算机串口通信等。软件采用C语言程序(略)，程序流程如图7示。

6 调试过程及结果
    将被测信号放大，通过V／F转换(LM331)器将模拟量转换成频率，并用CPU读取频率值，通过转换计算，得到被测信号的数值。
    电阻测量：利用恒流源，将恒定电流流过被测试样并将电压值转换成频率值，电流不能太大，较大的电流会引起温度变化从而影响电阻值。
    温度测量：用K型热电偶测量温度，采用AD595将温度值转换成模拟电压，AD595自带冷端自动补偿。该测试系统测试R—T变化如表1所示，由表中数据变化可以看出，炭黑复合导电材料具有PTC特性。

7 结 语
    利用单片机构建的这样一个电阻一温度测量系统，能方便地应用于具有温度传感器特性的各种导电材料的测量，使用比较便利，利用串口可以和上位机进行通信，可使测量结果更加直观方便。