基于STM32和CPLD的新型全自動量熱儀研究與設(shè)計(jì)

魏麗君

（1.中南大學(xué)自動化學(xué)院，湖南 長沙 410003；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

發(fā)熱量和熱容量的準(zhǔn)確測量是煤質(zhì)分析最重要的指標(biāo)，發(fā)熱量和熱容量采用量熱儀進(jìn)行測試，當(dāng)前量熱儀主要存在通信時可靠性不夠穩(wěn)定，有些還采用卡槽式通信模塊、控制方式復(fù)雜[1?3]、溫度采樣不夠精準(zhǔn)、主期時間太長、溫度基線漂移[4?7]等問題。

基于此，本文擬提出一種基于STM32 和CPLD 為硬件平臺的新型全自動量熱儀的設(shè)計(jì)方案。整體設(shè)計(jì)時把下位機(jī)主控板和人機(jī)交互部分分開設(shè)計(jì)，簡化控制控制方式，采用SPI 方式通信[8?10]，提升通信的穩(wěn)定度，溫度采集采用高精密傳感器PT1000，并對內(nèi)外筒溫度進(jìn)行基線修正補(bǔ)償，提高溫度采用的精密度[11?13]。本文設(shè)計(jì)了完善的A/D 轉(zhuǎn)換電路和微弱信號處理電路，最大限度地提高了信噪比；此外，還設(shè)計(jì)了液晶顯示模塊和結(jié)果打印模塊，人機(jī)交互界面更加友好。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為主板控制和人機(jī)界面控制兩部分。系統(tǒng)采用SPI 通信，可靠性高，傳輸速度快[14]。主板控制部分的控制框圖如圖1所示。

圖1 主板控制框圖

系統(tǒng)主控采用STM32 單片機(jī)，主要包含溫度采集模塊、點(diǎn)火控制與點(diǎn)火判斷模塊、故障檢測與報(bào)警模塊、攪拌電機(jī)控制模塊和氧彈識別模塊等。人機(jī)界面部分的硬件框圖如圖2所示。

圖2 人機(jī)界面部分硬件框圖

人機(jī)界面硬件部分采用CPLD 作為硬件平臺，主要包含數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)打印模塊、鍵盤輸入模塊和精密時鐘模塊等。

2 硬件單元電路的設(shè)計(jì)

2.1 高精密溫度采集模塊

是否能夠?qū)α繜醿x內(nèi)外桶溫升進(jìn)行精密測量是決定量熱儀的測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵所在[15?16]。因此，內(nèi)外桶的溫度采集設(shè)計(jì)采用溫度傳感器PT1000，分辨率達(dá)到0.000 1 ℃。溫度傳感器具體的電路原理圖如圖3所示。

圖3 溫度采集模塊電路原理圖

溫度采集模塊的工作原理是：JP1溫度傳感器與R2，R3，R4構(gòu)成一個電橋，R2，R3，R4為固定電阻，從電橋的兩中間位置輸出后，接入到運(yùn)放，固定端輸出到運(yùn)放反向輸入端，溫度傳感器端輸出接入同相輸入端由電路原理圖以及運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的原理[17?18]，可以計(jì)算得到由溫度變化而引起的輸出電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)確測量。

2.2 點(diǎn)火與點(diǎn)火判斷模塊

主板卡點(diǎn)火控制模塊原理圖如圖4所示。

圖4 主板卡點(diǎn)火控制模塊原理圖

圖中：點(diǎn)火電源為24 V，電流為6 A；設(shè)計(jì)穩(wěn)壓管是為了防止管子Q17因?yàn)辄c(diǎn)火瞬間高壓而燒壞。為了安全，采用光控實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電的隔離。

通過檢測點(diǎn)火絲點(diǎn)火前后輸入到電壓比較器的不同電壓值，與固定值的電壓比較，比較器輸出不同的狀態(tài)值，再由單片機(jī)的I/O 口判斷得到狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火成功與否的判斷。

點(diǎn)火判斷電路原理圖如圖5所示。

圖5 點(diǎn)火判斷電路原理圖

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

內(nèi)桶和外桶的溫度測量有兩路，因此在設(shè)計(jì)時采用了四通道24 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADS1253。為了提高溫度采集的準(zhǔn)確性，采用ADR444BRZ 設(shè)置電壓基準(zhǔn)。ADS1253 的具體電路原理圖如圖6所示。

圖6 A/D 轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.4 液晶顯示模塊

考慮到儀器的美觀程度與打印格式的顯示方式，選用320×240 點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，初選型號為：JXD320240A（5.7 寸），液晶顯示電路設(shè)計(jì)原理圖見圖7。

圖7 液晶顯示電路原理圖

2.5 打印機(jī)輸出設(shè)計(jì)

打印機(jī)輸出設(shè)計(jì)采用北京煒煌打印機(jī)WH?A7，可以選配RS 485接口、USB 接口、無線接口等。本文設(shè)計(jì)中打印機(jī)采用串口接口以及采用標(biāo)志控制方式，工作時，單片機(jī)讀取R2OUT 端的狀態(tài)；從而判斷微型打印機(jī)的工作狀態(tài)，不忙時向微型打印機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。打印機(jī)應(yīng)用4052 擴(kuò)展串行端口。具體的電路設(shè)計(jì)圖見圖8。

圖8 打印機(jī)接口模塊電路原理圖

2.6 存儲模塊設(shè)計(jì)

通過對量熱儀每天做樣的個數(shù)（約20 個）以及每個樣需要保存的數(shù)據(jù)信息量和需要保存數(shù)據(jù)的天數(shù)統(tǒng)計(jì)，可以得到至少需要的數(shù)據(jù)存儲空間的大小。參照Parr6300 的試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告單格式（一個樣的數(shù)據(jù)存儲需47 B，保存6 天的數(shù)據(jù)），設(shè)計(jì)時設(shè)置保存100 個樣（約5 天）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共需要4 700 B（37 600 bit），故采用AT24C256（262 144 bit）即可達(dá)到要求。為了留有充分的裕量，存儲模塊選擇AT24C512，電路原理圖如圖9所示。

圖9 存儲模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 初期采樣

初期采樣主要是通過測量得到冷卻速度，從而進(jìn)行精確地冷卻校正，以平均冷卻速度作為點(diǎn)火時的冷卻速度。初期采樣流程如圖10所示。

圖10 初期采樣流程

3.2 主期采樣

點(diǎn)火后，試驗(yàn)進(jìn)入主期。在實(shí)驗(yàn)規(guī)定時間內(nèi)溫度急劇上升，則表明點(diǎn)火成功，之后慢慢溫升趨于平穩(wěn)。測試時應(yīng)確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的一致性，從而使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。主期采樣的主要目的是得到主期用時和主期溫升，主期采樣流程如圖11所示。

圖11 主期采樣流程

3.3 末期采樣

內(nèi)筒溫度下降時，試驗(yàn)進(jìn)入末期。末期溫度采樣是為了計(jì)算末期平均冷卻速度。從上述第一個下降溫度點(diǎn)開始計(jì)時，時間必須5 min 后，采用國標(biāo)法每分鐘采集一次溫度，瑞方法每30 s 采集一次溫度值，準(zhǔn)確測取內(nèi)筒溫度，記作tn。用tn減去Tn除以時間，計(jì)算得到Vn。末期采樣流程如圖12所示。

圖12 末期采樣流程

4 試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)分析

按照國標(biāo)要求，實(shí)驗(yàn)采用瑞方法和國標(biāo)法分別進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，具體的試驗(yàn)流程如圖13所示。人機(jī)界面控制板控制主控板。人機(jī)界面給主控板發(fā)送測試參數(shù)、測試開始命令，進(jìn)行溫度檢測，確保溫度達(dá)到穩(wěn)定后，正式開始測試，主控板完成初期、主期、末期的采樣及控制工作，計(jì)算C值、熱容量和發(fā)熱量，然后再將計(jì)算結(jié)果反饋到人機(jī)界面控制板進(jìn)行處理。

圖13 整機(jī)試驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)完成后，可采用打印機(jī)打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果。熱容量和發(fā)熱量的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 熱容量數(shù)據(jù)

表2 發(fā)熱量測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 論

本文提出一種基于STM32 和CPLD 硬件平臺的新型自動量熱儀的設(shè)計(jì)方案。整體設(shè)計(jì)時把下位機(jī)主控板和人機(jī)交互部分分開設(shè)計(jì)，簡化了控制控制方式，采用SPI 方式通信，提升了通信的穩(wěn)定度。溫度采集采用高精密傳感器PT1000，并對內(nèi)外筒溫度進(jìn)行基線修正補(bǔ)償，提高溫度采用的精密度。同時，設(shè)計(jì)了完善的A/D 轉(zhuǎn)換電路和微弱信號處理電路，最大限度地提高了信噪比；此外，還設(shè)計(jì)了液晶顯示模塊和結(jié)果打印模塊，人機(jī)交互界面更加友好。初期、主期、末期溫度采集以及C值的算法嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

設(shè)計(jì)完成后對設(shè)備按照瑞方法和國標(biāo)法進(jìn)行試驗(yàn)測試，主期時間控制到了7 min，較當(dāng)前水平提升了近2 min，熱容量相對標(biāo)準(zhǔn)差為0.06%，極差為15.42 J/K；發(fā)熱量相對標(biāo)準(zhǔn)差為0.08%，極差為53.12 J/g。設(shè)計(jì)完成的新型全自動量熱儀人機(jī)交互更友好，主期時間縮短10.8%，極大提升了試驗(yàn)效率，熱容量、發(fā)熱量相對標(biāo)準(zhǔn)差和極差的測試結(jié)果優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。