摘 要 導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量，材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)的不同對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)值都有明顯的影響。導(dǎo)熱系數(shù)作為衡量建筑材料保溫性能，表征料傳熱能力的重要指標(biāo)一直為人們所重視，材料的導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)常需要由實(shí)驗(yàn)具體測(cè)定，目前大多使用電位差計(jì)和電流計(jì)來(lái)人工測(cè)定計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，其缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低、通用性差、調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜、測(cè)試結(jié)果容易受到人為因素的影響。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新產(chǎn)品、新材料不斷涌現(xiàn)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、地質(zhì)、等部門對(duì)新產(chǎn)品、新材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量越來(lái)越多，精度要求也越來(lái)越高，面對(duì)科研、生產(chǎn) 的高要求，用微機(jī)和智能控制方法構(gòu)成的一種新型的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)十分必要，智能導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)控系統(tǒng)提高了保溫材料特性測(cè)試的自動(dòng)化和智能水平，同時(shí)提高了測(cè)量的效率和測(cè)試的精度，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是智能導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本測(cè)控系統(tǒng)主要功能是通過(guò)加熱模塊對(duì)被測(cè)保溫（絕熱）材料的兩側(cè)進(jìn)行加溫。當(dāng)兩側(cè)溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，形成穩(wěn)定的溫差。該溫差形成一個(gè)穩(wěn)定的熱流通過(guò)被測(cè)材料。根據(jù)此溫差和材料的幾何尺寸等參數(shù)和計(jì)算公式就可計(jì)算得出該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 因此，本設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括：材料兩側(cè)的溫度測(cè)量、溫度控 制、穩(wěn)溫狀態(tài)的判定和導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算、被測(cè)材料幾何參數(shù)的輸入、導(dǎo)熱系數(shù) 結(jié)果的顯示等。 通過(guò)任務(wù)分析、方案比較確定和電路設(shè)計(jì)，較好的實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。 關(guān)鍵詞 ： 微型處理器，導(dǎo)熱系數(shù)，智能，溫度控制，功率驅(qū)動(dòng) Abstract The coefficient of transmitting heat is described as a physics context which tokens the heat conduction character of material. The coefficient value of transmitting heat is strongly affected by the changing of material construction and the different impurity which the material contains. The coefficient of transmitting heat, as the important index which measures the heat preservation function of the building materials and tokens the transmitting heat ability which the material has, is paid more attentions all the time. The coefficient of transmitting heat of the material is always requested to be measured in experiment. Nowadays the electric potential difference counts and the galvanometer are used to measure the coefficient of transmitting heat in most case, which exists some shortcomings: the low automation degree , the bad performance in general use, the complicacy regulate process ,the measure results are easily influenced by artificial factors. Along with the development of the economy and science technique in our country, there present a lot of new products and new materials. In the industrial agricultural department, and building departments, more and more measurements are needed to obtain the coefficient of transmitting heat of the new product, the measuring accuracy is requested to be higher. In the face of the requirement for scientific research and industrial production, it is quite necessary to design a new digital measuring system with the microcomputer and the intelligence control technique. Intelligent system which measures the coefficient of transmitting heat improves the automation and intelligence level. At the same time, it improves the measure efficiency and the test accuracy, alleviates the personnels labor strength. The task of this design is to design and finish a measure system which contains a intelligent machine measuring the coefficient of transmitting heat.It mainly designs to collect the temperature of the material which is to be measured with thermo-element on the condition that the temperature controlling module makes the measuring condition reaching a stably level .And then amplifier, convert it from analog to digital, deliver it and the conduct in the whole controlling module, then convert the processed signal from digital to analog signal, control the heating efficiency. Then it designs the communication between the upper and below computer and the communicating bus among each module, and so on. Finally we finish the task which contains the measure of the coefficient of transmitting heat which the material have, and the manifestation of the data result with CRT. And whats more, the measure result could be printed out from the printer at any time. By the designing of the each module above, we complete the measuring function of the machine which measures the coefficient of transmitting heat, and obtain quite a good result which we look forward to. The design result proves that the measuring system with high intelligence and automation level improves the intelligence and automation level in measuring the characters of the preserving heat material, meantime, improves the measure efficiency and the test accuracy. Key word: MCU, The coefficient of transmitting heat, intelligence, Temperature controlling 目 錄 第一章、緒論 第二章、導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法和測(cè)試原理 2 1 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法 2 1 1 穩(wěn)態(tài)方法測(cè)量法 2 1 2 動(dòng)態(tài)（瞬時(shí)）測(cè)量法 2 2 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試原理 2 3 影響絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素 第 三 章、專用電爐的設(shè)計(jì) 第四章、智能導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 1 上位機(jī) 4 2 下位機(jī) 4 2 1 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 4 2 2 數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 4 2 3 溫度傳感器 4 2 4 信號(hào)放大電路 4 2 5 溫度控制電路 第五章、智能導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 1 軟件功能分析 5 2 面板設(shè)計(jì)及軟件程序框圖 第六章、系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì) 6 1 系統(tǒng)總線的簡(jiǎn)介 6 2 上下位機(jī)之間的通信總線的選擇與實(shí)現(xiàn) 6 3 PI 總線的特點(diǎn)和 PI-BIU 的設(shè)計(jì)流程 第七章、智能導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀整機(jī)操作說(shuō)明 結(jié)語(yǔ)與謝辭 參考文獻(xiàn) 第一章、緒論 導(dǎo)熱系數(shù)作為衡量建筑材料保溫性能，表征料 傳熱能力的重要指標(biāo)一直為人們所重視，材料的導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)常需要由實(shí)驗(yàn)具體測(cè)定，目前大多數(shù)的人工測(cè)定計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，其缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低、通用性差、調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜、測(cè)試結(jié)果容易受到人為因素的影響。因此， 沒有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)是難以實(shí)現(xiàn)的 。 本設(shè)計(jì)屬于典型的穩(wěn)態(tài)法平板式導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定法 對(duì)試塊和專用電爐的應(yīng)用來(lái)講，符臺(tái)無(wú)限大平板式穩(wěn)態(tài)測(cè)量原理，滿足穩(wěn)態(tài)傅立葉導(dǎo)熱公式的應(yīng)用條件。 電爐設(shè)計(jì)合理，尤其其升溫速率很快，這樣可以縮短測(cè)量周期，是本儀器的特色之一。固為使用了微機(jī)技術(shù)，可對(duì)各種金屬、非金屬進(jìn)行 測(cè)量。其 量程廣泛，是本儀器特色之二。固為在單片機(jī)上使用了 LabVIEW 軟件包，不僅實(shí)現(xiàn)了軟件代替硬件的原則，而且極大降低了編程時(shí)間。兩個(gè)月底層編程時(shí)間可以縮減到十天，而且程序易于修改和鏈接本儀器從壓一次“自動(dòng)升溫”虛擬按鍵開始，直至打印出測(cè)量結(jié)果，全部實(shí)現(xiàn)微機(jī)自調(diào)和管理，無(wú)需人工干預(yù)?？芍?，本設(shè)計(jì)是一套復(fù)雜的閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng)?？傊?，本儀器是一臺(tái)高質(zhì)量，高速度和全自動(dòng)化的新產(chǎn)品，在各行各業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。 第二章、導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法和測(cè)試原理 2 1 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法 2 1 1 穩(wěn)態(tài)方法測(cè)量法 熱流 法導(dǎo)熱儀 ：將厚度一定的方形樣品（通常長(zhǎng)寬各 30cm，厚 10cm）插入于兩個(gè)平板間，設(shè)置一定的溫度梯度。使用校正過(guò)的熱流傳感器測(cè)量通過(guò)樣品的熱流，傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。測(cè)量樣品厚度、溫度梯度與通過(guò)樣品的熱流便可計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。 圖 2.1 示出了一種新型的熱流法導(dǎo)熱儀。樣品的厚度可達(dá)到 10cm，長(zhǎng)與寬為30 到 60cm 之間。這種儀器能測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)在 0.005 到 0.5W/m K 之間的材料，通常用于確定玻璃纖維絕熱體或絕熱板的導(dǎo)熱系數(shù)與 k 因子。選用不同類型的儀器，能夠在 -20到 100之間測(cè)量。該方法的優(yōu)點(diǎn) 是易于操作，測(cè)量結(jié)果精確，測(cè)量速度快，但是溫度與測(cè)量范圍有限。 圖 2.1 NETZSCH HFM436 Lambda 熱流法導(dǎo)熱儀 圖 2.1 NETZSCH HFM436 Lambda 熱流法導(dǎo)熱儀，能在中等溫度下對(duì)中低等導(dǎo)熱系數(shù)材料進(jìn)行測(cè)量分析。 保護(hù)熱流法導(dǎo)熱儀 ：對(duì)于較大的、需要較高量程的樣品，可以使用保護(hù)熱流法導(dǎo)熱儀。其測(cè)量原理幾乎與普通的熱流法導(dǎo)熱儀相同。不同之處是測(cè)量單元被保護(hù)加熱器所包圍，因此測(cè)量溫度范圍和導(dǎo)熱系數(shù)范圍更寬。 保護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀： 熱板法或保護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀的工作原理和 使用熱板與冷板的熱流法導(dǎo)熱儀相似。保護(hù)熱板法的測(cè)量原理如圖 2.2 所示。熱源位于同一材料的兩塊樣品中間。使用兩塊樣品是為了獲得向上與向下方向?qū)ΨQ的熱流，并使加熱器的能量被測(cè)試樣品完全吸收。測(cè)量過(guò)程中，精確設(shè)定輸入到熱板上的能量。通過(guò)調(diào)整輸入到輔助加熱器上的能量，對(duì)熱源與輔助板之間的測(cè)量溫度和溫度梯度進(jìn)行調(diào)整。熱板周圍的保護(hù)加熱器與樣品的放置方式確保從熱板到輔助加熱器的熱流是線性的、一維的。輔助加熱器后是散熱器，散熱器和輔助加熱器接觸良好，確保熱量的移除與改善控制。測(cè)量加到熱板上的能量、溫度梯度及兩片樣品的厚度 ，應(yīng)用 Fourier 方程便能夠算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 圖 2.2 （保護(hù)）熱板法導(dǎo)熱儀結(jié)構(gòu)原理圖 相比熱流法，保護(hù)熱板法的優(yōu)點(diǎn)是溫度范圍寬（ -180 到 650）與量程廣（最高可達(dá) 2W/m K）。此外，保護(hù)熱板法使用得是絕對(duì)法 無(wú)需對(duì)測(cè)量單元進(jìn)行標(biāo)定。 2 1 2 動(dòng)態(tài)（瞬時(shí)）測(cè)量法 動(dòng)態(tài)測(cè)量法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)的導(dǎo) 熱系數(shù)測(cè)量方法，用于研究高導(dǎo)熱系數(shù)材料，或在高溫度條件下進(jìn)行測(cè)量。動(dòng)態(tài)法的特點(diǎn)是精確性高、測(cè)量范圍寬（最高能達(dá)到 2000）、樣品制備簡(jiǎn)單。 熱線法 ： 熱線法是在樣品（通常為大的塊狀樣品）中插入一根熱線。測(cè)試時(shí)，在熱線上施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度上升。測(cè)量熱線本身的或與熱線相隔一定距離的平板的溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。由于被測(cè)材料的導(dǎo)熱性能決定這一關(guān)系，所以測(cè)定它是導(dǎo)熱系數(shù)一種測(cè)量方法。 測(cè)量熱線的溫升有多種方法。其中交叉線法是用焊接在熱線上的熱電偶直接測(cè)量熱線的溫升。平行線法是測(cè)量與熱線隔著一定距離的一定 位置上的溫升。熱阻法是利用熱線（多為鉑絲）電阻與溫度之間的關(guān)系測(cè)量熱線本身的溫升。 待測(cè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)大小是選擇正確方法的重要參考因素。交叉線法適用于導(dǎo)熱系數(shù)低于 2W/m K 的樣品，熱阻法與平行線法適用于導(dǎo)熱系數(shù)更高的材料（測(cè)來(lái)囊先分別為為 15 W/m K 與 20W/m K）。 某些熱線法儀器可以使用上述全部三種方法。某些熱線法儀器的測(cè)試溫度范圍為室溫至 1500。測(cè)試時(shí)將樣品加熱到所需的溫度，待樣品溫度穩(wěn)定后，就能開始進(jìn)行熱線測(cè)量。這一方法能夠測(cè)量體積較大的樣品，能對(duì)不均勻的陶瓷材料與耐火材料進(jìn)行測(cè)試。 閃 光擴(kuò)散法 ： 閃光擴(kuò)散法，又稱為激光閃射法，是一種用于測(cè)量高導(dǎo)熱材料與小體積樣品的技術(shù)。該方法直接測(cè)量材料的熱擴(kuò)散性能。在已知樣品比熱與密度的情況下，便可以得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。閃光擴(kuò)散法能夠用比較法直接測(cè)量樣品的比熱；但推薦使用差示掃描量熱儀，該方法的比熱測(cè)量精確度更高。密度隨溫度的改變可使用膨脹儀進(jìn)行測(cè)試 。 應(yīng)用閃光擴(kuò)散法時(shí)，平板形樣品在爐體中被加熱到所需的測(cè)試溫度。隨后，由激光仿生器或閃光燈產(chǎn)生的一束短促 ( H 陣中的任兩列之和不等于其他的任何列，即 H 陣的任三列線性無(wú)關(guān)。根據(jù)定理，碼的最小距離為 4，碼能糾一個(gè)錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)三個(gè)錯(cuò)誤。 把（ 1）式寫成矩陣形式，得到 HCT = 0T (2) 其中： CT是 C 的轉(zhuǎn)置矩陣。 編碼電路可以從（ 1）式得到，用異或門實(shí)現(xiàn)。 下面分析譯碼電路。這里采用查表譯碼法。首 先根據(jù)（ 3）式計(jì)算接收矢量 R的伴隨式 S T = H R 或 S = R HT （ 3） 若 S 0，則判為沒有出錯(cuò)，接收字是一個(gè)碼字；若 S0，則判為有錯(cuò)，由以上推導(dǎo)知，該碼能糾單個(gè)錯(cuò)誤， ST等于監(jiān)督矩陣 H 的第幾列，就表示接收字 R 的第幾位出錯(cuò)，若第 i 列出錯(cuò)，則信道的錯(cuò)誤圖樣的第 i 個(gè)元素為 1，糾錯(cuò)后得到正確的接收字是 R（ 0， 1 ， 0 ）；若 ST不等于 0，且與 H 陣的任何一列都不相同，這時(shí)只能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，無(wú)法判定錯(cuò)誤出在哪些位上。 6. 3. 2 編碼譯碼電路的實(shí)現(xiàn) 使用（ 1）式，用 VHDL 語(yǔ)言描述編碼電路如下： -Architecture Body ARCHITECTURE behv OF code IS BEGIN dc (7) dout (31) Can _correct Cant _correct = 1 ; 6. 3. 3 功能仿真及性能分析 編譯碼電路選用 ALTERA 公司的 EPF10K10TC144 3 器件。編碼電路占 32個(gè)邏輯單元 ，譯碼電路占用了 163 個(gè)邏輯單元。對(duì)編碼譯碼電路做功能仿真，仿真波形圖如圖 6.9 所示 。 圖 6.9 編碼譯碼電路功能仿真波形圖 從波形可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入全為 1，如果總線上傳來(lái)的數(shù)據(jù)最后一位出錯(cuò)，為 0， 正確數(shù)據(jù)異或而成的數(shù)據(jù)檢查線 dc 使得譯碼器能把最后一位改為 1；如數(shù)據(jù)輸入是 “00000001” 編碼器的 dc 為 “19”而一旦出現(xiàn)兩個(gè)錯(cuò)誤，如最高位和最低位，譯碼器指示為不可糾正的錯(cuò)誤；如 數(shù)據(jù)正確傳輸，則編碼器指示沒有錯(cuò)誤。仿真證明，設(shè)計(jì)的編譯碼器能完成預(yù)定任務(wù) 。 第七章、智能導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀整機(jī)操作說(shuō)明 圖 7.1是對(duì)一塊 10mm厚的保溫試塊做 520度預(yù)置溫度時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)值測(cè)試過(guò)程的一個(gè)界面。由于采用了虛擬儀器平臺(tái)，所以可以在前面板上直接進(jìn)行操作。該面板上的九個(gè)按鍵可用鼠標(biāo)直接操作，八種預(yù)置數(shù)可用光標(biāo)和鍵盤直接操作，九個(gè)溫度測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果直接在屏幕上動(dòng)態(tài)數(shù)顯。升溫過(guò)程完全由微機(jī)控制，進(jìn)入恒溫狀態(tài)后（前面板圖 4.1），每隔兩分鐘微機(jī)計(jì)算一次 (i=1 3)，如遇偶然誤差值，微機(jī)將自動(dòng)去除，并補(bǔ)做一遍測(cè)試。取三次的均值做為最終的導(dǎo)熱系數(shù) 測(cè)量結(jié)果，并自動(dòng)顯示在面板上。測(cè)量完畢后，打印機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，打印出最終果。而且在任何時(shí)間，打印機(jī)都可以打印出當(dāng)前各項(xiàng)數(shù)據(jù)，供操作人員做中間記錄保存。必要時(shí)打印機(jī)可以通過(guò)界面選項(xiàng)，打印出升溫曲線。工作過(guò)程中發(fā)生異常情況時(shí)，除了聲、光報(bào)警之外，還可在屏幕上直接向操作人員提供操作提示。本儀器從壓一次“自動(dòng)升溫”虛擬按鍵開始，直至打印出測(cè)量結(jié)果，全部實(shí)現(xiàn)微機(jī)自調(diào)和管理，無(wú)需人工干預(yù)。 圖 7.1 前面板升溫界面 打印結(jié)果見表 7.1。 試塊標(biāo)號(hào)： TM01 操作工號(hào)： 01 測(cè)試日期： 06 年 3 月 18日 試塊厚度： 10.0mm 試塊預(yù)置溫度： T0 = 420 , 主爐溫度： T1 = 491 , 升溫時(shí)間： 09 分 55 秒 底爐溫度： T2 = 491 , 恒溫時(shí)間： 06 分 03 秒 邊爐溫度： T3 = 491 , 第一次測(cè)： 1 3.472 試塊下表面溫度： T4 = 485 第二次測(cè)： 2 3.481 試塊上表面溫度： T5 = 355 第三次測(cè)： 3 3.485 室溫： T6 = 21 均值： 3.479 (W/m K) 恒溫水域溫度： T7 = 34