基于單片機(jī)的瀝青智能軟化點(diǎn)測(cè)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(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，瀝青熔化，此時(shí)從試樣上會(huì)有瀝青溶液通過(guò)支架上的孔滴下，被裝在其下面的光電檢測(cè)裝置檢測(cè)到，這時(shí)的溫度就為瀝青的軟化溫度。整個(gè)過(guò)程在1000mL的燒杯里進(jìn)行。

　　1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

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

　　(1)單片機(jī)及鍵盤、顯示器等外圍電路采用AT89C51單片機(jī)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(yǔ)言編程，控制程序容量約2KB，所以不需另外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，使得控制電路得到簡(jiǎn)化，另外芯片內(nèi)的128個(gè)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(jì)了兩個(gè)按鈕，—個(gè)是“測(cè)試”鍵，另一個(gè)是“結(jié)果”鍵，由P1.0和P1.1分別控制。上電后，按下“測(cè)試”鍵，P1.1輸入低電平，儀器啟動(dòng)，否則不啟動(dòng);任何時(shí)候按下“結(jié)果”鍵，P1.2輸入低電平，此時(shí)若測(cè)試沒(méi)有結(jié)束，顯示結(jié)果變?yōu)榱?，若測(cè)試己結(jié)束，顯示軟化點(diǎn)溫度。

　　為避免系統(tǒng)擴(kuò)展并行接口芯片，采用單片機(jī)串行接口方式0的輸出方式，外接兩片74LS164移位寄存器來(lái)構(gòu)成八位LED顯示器接口，其一片的輸出端通過(guò)PNP型三極管用來(lái)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(dòng)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(kuò)大至20mA。八位顯示器中左四位為時(shí)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(diǎn)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(cè)試時(shí)通過(guò)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(dāng)監(jiān)控程序判斷出需要加熱時(shí)，單片機(jī)P1.4口發(fā)出低電平，使PNP型三極管8850導(dǎo)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(hào)，使晶閘管觸發(fā)端觸發(fā)導(dǎo)通，加熱電阻絲由220伏的交流電供電加熱;當(dāng)控制程序判斷出需要停止加熱時(shí)，單片機(jī)P1.4口發(fā)出高電平，使8850處于截止?fàn)顟B(tài)，停止電阻絲的加熱。電路抗干擾能力強(qiáng)，輸入輸出完全隔離，絕緣性能良好。

　　(3)溫度信號(hào)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(lái)獲取溫度數(shù)據(jù)。這種傳感器靈敏度高，線性度好。其測(cè)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(cè)量精度，可以采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，根?jù)9013的溫度-電壓特性曲線，計(jì)算出每個(gè)溫度數(shù)據(jù)下需要補(bǔ)償?shù)碾妷褐?，在A/D轉(zhuǎn)換程序中加以補(bǔ)償。9013測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)帶有差動(dòng)輸入的通用集成運(yùn)放LM324進(jìn)行放大。

　　為把放大器輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入給單片機(jī)，采用LM331型壓頻變換器。LM331的輸入信號(hào)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(hào)直接連到AT89C51的T1端(片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的外部計(jì)數(shù)輸入端)，由T1計(jì)該脈沖序列的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。LM331的電壓信號(hào)輸入端的值為0～10V，相應(yīng)的輸出端的頻率信號(hào)為10～10kHz。由于LM331輸出的是頻率信號(hào)，所以抗干擾能力強(qiáng)，線性度高，且傳輸簡(jiǎn)單、方便。只需1根輸出信號(hào)線與單片機(jī)直接連接，大大節(jié)約了系統(tǒng)端口資源，簡(jiǎn)化了控制電路設(shè)計(jì)。

　　(4)檢測(cè)回路為了確保可靠地檢測(cè)瀝青軟化，安裝了兩個(gè)光電檢測(cè)裝置，當(dāng)兩個(gè)檢測(cè)裝置都檢測(cè)到瀝青軟化(瀝青溶液滴下，把檢測(cè)裝置光發(fā)射端的光擋住，使接收端收不到光)時(shí)，則其輸出端分別發(fā)出高電平信號(hào)。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(hào)使檢測(cè)裝置發(fā)生誤動(dòng)作，用運(yùn)算放大器LM324作電壓比較器，只有當(dāng)輸出信號(hào)具有一定強(qiáng)度才能使電壓比較器輸出高電平;該信號(hào)分別經(jīng)三極管連接使P1.6和P1.5得到低電平輸入信號(hào);當(dāng)P1.6和P1.5同時(shí)檢測(cè)到低電平時(shí)才認(rèn)為瀝青已軟化。此時(shí)，加熱回路被切斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄下該時(shí)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(jì)

　　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(lái)控制加熱與停止的時(shí)間，時(shí)間基準(zhǔn)為2ms，工作于方式0下的中斷方式;T1工作于方式0計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)器的工作方式寄存器等的設(shè)置，定時(shí)器初值的設(shè)置，定時(shí)器的啟動(dòng)，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(guò)程不是一個(gè)線性過(guò)程，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在控溫程序中，將讀得的溫度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即進(jìn)行超溫處理，否則進(jìn)行欠溫處理。

　　主程序流程圖見(jiàn)圖2，其中的控溫程序流程圖見(jiàn)圖3。?

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，該瀝青軟化點(diǎn)儀測(cè)試精確，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。在實(shí)際使用中，為了使溫度場(chǎng)均勻，在容器中添加了磁力攪拌，進(jìn)一步提高了測(cè)試的精確度。