嵌入式基于C8051F單片機(jī)的氣流儀

  引 言

　　本課題研究的棉花氣流儀是根據(jù)GB6468－1992棉纖維"馬克隆值"測試方法的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合目前的微電腦監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，采用單片機(jī)C8051F，具有測試速度快、容易維修、費(fèi)用低、效率高等特點(diǎn)。

　　馬克隆值為在特定條件下一團(tuán)棉花的透氣性的度量。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，馬克隆值與紡紗有著密切的關(guān)系，馬克隆值過高或過低，其棉纖維可紡性能都較差，只有馬克隆值適中的棉纖維才能獲得較全面的紡紗經(jīng)濟(jì)效益。

　　1氣流儀的基本原理

　　本儀器是氣流式的馬克隆值測定儀。馬克隆氣流儀的基本原理是以一定壓力的氣流通過固定容積內(nèi)的定質(zhì)量的纖維塞，由于纖維的表面積不同，對氣流的阻力大小不同，在纖維塞兩端產(chǎn)生的壓力差或流量大小也不同。表面積小的纖維，對氣流的阻力小流量大(或壓差小)；反之，流量大(或壓差大)。因此可根據(jù)流量或壓力差的變化，指示出纖維的透氣性。試樣的質(zhì)量和體積對儀器是常數(shù)，透氣性的變化可用馬克隆值單位來標(biāo)定。

　　式中：A為試樣筒內(nèi)截面積；L為試樣筒高度；△P為試樣筒兩端壓力差；S為纖維比表面積；μ為空氣粘滯系數(shù)；ε為試樣筒內(nèi)纖維的空隙率(纖維集合體內(nèi)空間體積與集合體總體積之)；K為常數(shù)。

　　從公式可以看出：纖維的表面積越小(即纖維越粗)，通過的流量越大，表示纖維的透氣性越好，所測的馬克隆值越高，表明纖維的成熟度越好。因此，一般情況下，纖維成熟度越好，其馬克隆值也越高，即兩者是正相關(guān)。 2 硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)氣流儀的原理，我們采用C8051F023單片機(jī)為核心控制。該單片機(jī)內(nèi)核為高速8051微控制器。

　　儀器傳感器有兩個，分別為氣壓傳感器和稱重傳感器。據(jù)本儀器的設(shè)計(jì)精度要求，選擇微重傳感器和微壓傳感器。硬件框圖如圖1所示。

　　儀器工作過程：在電子稱上稱8 g棉樣后均勻地放入試樣筒內(nèi)，形成固定密度的纖維塞。氣泵向儲氣筒充氣產(chǎn)生恒壓，恒壓氣流經(jīng)氣阻(試樣筒內(nèi)的纖維塞)流入儀器，在試樣筒的兩端形成了氣壓差。由于不同馬克隆值的棉纖維對氣流的阻力不同，因此形成的壓差也不同，氣壓傳感器將此壓差信號轉(zhuǎn)換成電量，單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后，顯示出馬克隆值及馬克隆值等級，同時還能完成平均值的運(yùn)算。

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　儀器控制程序設(shè)計(jì)是按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的，將整個程序細(xì)分為若干子程序，以方便調(diào)試與檢查。

　　儀器開機(jī)上電后，單片機(jī)首先查詢儀器是否需要砝碼校準(zhǔn)，如果需要則進(jìn)行砝碼校準(zhǔn)，否則判斷是否馬值校準(zhǔn)，如果是進(jìn)行馬值校準(zhǔn)，否則判斷是否稱重。當(dāng)稱量了8 g的棉花后，程序判斷P1.7口是否為低電平，如果是則進(jìn)行馬值測定，否則仍進(jìn)入稱重子程序。由于我們的儀器只能測量馬值范圍為2.5～7.0的馬值，因此得到馬值時首先判斷馬值是否滿度。當(dāng)測量值低于1 V時，也就是馬值低于2.5時，認(rèn)為馬值滿度，并顯示E000，若馬值沒有滿度則依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算馬值真值。最后進(jìn)行馬值等級的判斷，依據(jù)國標(biāo)的規(guī)定，馬值范圍在3.7～4.2的為A級，3.5～3.6，4.3～4.9的為B級，3.4以下或5.0以上為C級。判斷結(jié)束后，單片機(jī)調(diào)用顯示子程序，顯示出被側(cè)棉樣的馬值及相應(yīng)的等級。

      圖2是主程序流程圖。

　　整個軟件子程序包括砝碼校準(zhǔn)子程序，馬值校準(zhǔn)子程序，稱重子程序，馬值測量子程序，顯示子程序以及一些算法子程序等。

　　通過對傳感器及其放大電路的設(shè)計(jì)，我們知道當(dāng)氣壓為零點(diǎn)時，電壓為0.500 V，當(dāng)氣壓滿度為400 Pa時，電壓為2.46 V，曲線如圖3所示。

　　從考慮精度的要求出發(fā)，我們選擇A／D轉(zhuǎn)換為10位，參考電壓為2.5 V，當(dāng)輸入模擬量為2.5 V時，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量為210=1 024(800H)，根據(jù)硬件電路，當(dāng)試樣筒沒有放入棉花時，氣流通過后測得的氣壓差0，送入單片機(jī)的電壓為0.500 V，即由方程：

　　換算成對應(yīng)的數(shù)字量為0CDH，根據(jù)式(4)和表1的數(shù)據(jù)可以算出馬克隆值和數(shù)字量的一個對應(yīng)表，將此表輸入程序中作為馬值計(jì)算的基準(zhǔn)。

　　由國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)棉樣的馬值，通過實(shí)驗(yàn)我們找出了其對應(yīng)的電壓值，發(fā)現(xiàn)它們不是線性關(guān)系，也不能用-個簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，因此采用分段處理的方法表示出他們的邏輯關(guān)系。并依據(jù)這個規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。具體流程圖如圖4所示。

　　上述馬值真值沒有考慮校準(zhǔn)偏差的情況，因此應(yīng)進(jìn)行馬值補(bǔ)償。首先判斷該馬值是低、中、高中的哪一個等級，然后從EEPROM存儲器中調(diào)出在馬值校準(zhǔn)中得到的偏差，經(jīng)過計(jì)算后得到同實(shí)際值相吻合的馬值。

　　4實(shí)驗(yàn)測試

　　根據(jù)國標(biāo)GB6468-1992棉纖維"馬克隆值"測試方法的有關(guān)規(guī)定對所設(shè)計(jì)的儀器進(jìn)行校驗(yàn)。

用馬克隆值分別為A、B、C級的不同棉樣，在室溫21℃左右的環(huán)境下，所測得的數(shù)據(jù)誤差不超過±0.1。儀器精度完全符合要求。

　　5結(jié)束語

　　本儀器在設(shè)計(jì)中緊密結(jié)合我國國情，具有人機(jī)界面好、方便、快捷、體積小、性價比好的特點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的儀器采用單片控制，使用電子稱重，氣壓傳感器測定馬值，且具有標(biāo)準(zhǔn)棉樣或標(biāo)準(zhǔn)塞自動校正及馬值自動分級功能，能夠做到智能剔除異常數(shù)據(jù)，是測定馬克隆值的一代新產(chǎn)品。