保温材料传导系数检测系统的设计

安然然，王淮中

(沈阳化工大学计算机科学与技术学院，辽宁沈阳 110142)

随着国家不断推行节能、减排、绿色环保的方针政策，各行各业都推出相应的节能检测标准，并积极采取各种检测方法对本行业的各类产品进行检测、排查，从而调整产业结构，保证与国家绿色环保方针相一致.建筑行业的保温材料种类繁多，生产厂家铺天盖地，因此，生产的产品良莠不齐.虽然保温材料的化学成分较易检测，但是其表现出的物理效应——传导系数因受制作流程、环境、测试方法等多方面因素影响而很难准确检测.在进行保温材料传导系数检测时，由于检测仪器、检测方法、检测依据差异性很大，国家至今没有出台统一的检测标准与方法.因此，整个行业中的各个厂家迫切希望在国家标准出台前能够制定一个切实可行的行业标准，满足对产品质量的检测要求.为达到国家节能检测要求，并满足行业中各个厂家对传导系数行业标准建立的需求，本文开发设计了检测保温材料传导系数系统，系统采用一线总线搜索算法对多个高精度温度传感器进行多点采集，然后通过相应数学算法进行综合处理，从而保证测量的稳定性.

1 设计原理与实现方法

在北方冬季，供暖公司向居住小区各终端用户输送热能，保证每个房间的温度不低于国家规定标准18℃，但是，如果居民家中的保温材料隔热效果不好，大量的热量就会从室内散发到室外，进而造成能源的无端消耗，经济的巨大浪费.而保温材料的传导系数直接决定隔热程度的好坏，决定着各项经济成本，因此，通过对导热系数的测量即可选择高质量的保温材料，保证节能减排.保温材料的传导系数测量，即测定单位时间内从待测保温材料，如挤塑板或苯板，一面传导到另一面的热量.在建筑设计过程中保温材料一般贴在用户的外墙上，起着阻碍温度流失的作用.当冬季居民家中开始采暖时，由于墙体中的沙石和水泥是比较好的传热体，因此，热量很容易通过外墙从屋内传导到墙体外壁，而保温材料组成的防护墙就是保证热量不向外流失的最后一道屏障，因此，热量从保温材料一面向另一面传播的时间越长，保温效果就越好，反之保温效果就越差.

为了能够检测保温材料的传热能力，根据热量散失理论进行如下设计:首先，为了保证测试环境不受外界因素的影响(如日照或刮风)，采用一个密闭箱体使测试材料与外界环境分离，以避免测试过程中保温材料从外界环境吸取热量或散失热量.其次，在待检测材料的两面分别紧贴上传导效果极好的铜板，在两块铜板中分别嵌入多个高精度温度传感器，并使铜板A与供热源相连，使其温度始终保持20℃，而使铜板B与制冷源相连，使其温度始终保持为0℃.这样就有效地模仿出居民家中的环境——屋内20℃，屋外0℃的场景.通过系统的模糊控制使两块铜板温度差达到恒定，这时传导平衡建立.在平衡条件下，通过系统采集数据的分析，可知道单位时间内为保持温度差热源提供了多少能量给铜板A，而这些能量就是从铜板A传导到铜板B散失的能量，通过相应数学计算，即可求出保温材料的传导系数.测量系统原理如图1所示.

图1 测量系统原理Fig.1 Schematic diagram of the measure system

2 系统硬件接口

2.1 芯片简介

系统采用ATMEL公司8位单片机AT90S8515作为核心芯片，其内部结构采用精简指令集设计，因此，在相同晶振时钟驱动下，单条指令执行速度比相应的51单片机快12倍，而且抗干扰能力强，驱动能力强.AT90S8515单片机包含同步通讯接口SPI，可高速地与外围设备进行通信，大大提升了板间通讯速度;其包含串行通讯接口可与上位PC机进行数据通讯.

DS18b20是美国DALLAS公司出产的高精度单总线数字测温芯片，每个DS18b20芯片在出厂时都被固化了唯一的64位序列号，其测温范围为-55～+125℃，测温精度可达0.5℃，分辨率最高可达0.062 55℃.DS18b20内部自带数模转换器，芯片可在控制命令操作下自动完成温度采集、模数转换等一系列过程，然后将转换为16位二进制的温度数据存储到内部暂存器中，单片机可按照一定的读写时序对总线上所有的传感器进行读写，大大地简化了单片机与温度传感器的通讯设计［1］.

2.2 系统硬件电路的设计方法

为了保证测温的均衡性，多个DS18b20温度传感器均匀地嵌入到每块铜板上.铜板A和铜板B上的温度传感器分别连接到2条电缆上，电缆通过总线驱动后再与AT90S8515单片机2个不同的引脚相连.温度传感器在单片机的读写时序控制下进行温度的采集、转换、保存，计算机再对单片机上传的数据进行分析、处理，从而调控供热源和制冷源的功率，保证传导平衡.AT90S8515单片机与多个DS18b20芯片的连接如图2所示.

图2 系统硬件总体框图Fig.2 Diagram of the system hardware

在检测过程中，系统为保证铜板各点温度的均衡性，需要实时监控铜板各个测试点，其方法如下:单片机通过一线总线分别向铜板A和铜板B上嵌入的不同温度传感器DS18b20发出控制指令，被选定的温度传感器接收控制命令后，进行温度转换、传送.检测过程中使用的温度传感器较多且测试时间较长，因此，采集到的温度数据较多.而单片机本身所带的Flash存储器只有8K，而且单片机中还需要运行一线总线搜索算法、CRC冗余检测算法、温度加热模块的控制以及制冷压缩机的控制，因此，其存储空间只能满足程序存储的需要，不足以存储大规模采集数据，所以，必须将采集到的温度信息存储到外围存储芯片中.ATMEL公司的AT25HP512是容量为64K 8bit的SPI串行EEPROM，单片机可直接将其集成SPI串行接口引脚与AT25HP512相应的SPI串行通信引脚相连，实现高速通信.由于SPI通信协议中必须设置通信双方的主从关系，因此，在硬件电路设计时将AT90S8515的I/O口引脚PB5(MOSI主出从进)、PB6(MISO主进从出)、PB7(SCLK系统时钟)分别连接到AT25HP512的MISO、MOSI和SCLK引脚上，这样外围存储器AT25HP512就被设定为单片机的从属设备，可在单片机提供的时钟脉冲频率下被访问，单片机与存储器的通讯速度可在单片机相应通讯寄存器进行设置，其具体的通信电路如图3所示.

图3 AT90S8515单片机与AT25HP512存储器的通信电路图Fig.3 Communication diagram of AT90S8515 and AT25H512

系统在PC机中设计相应的数据库，用来保存单片机采集到的多个DS18b20温度传感器的64位ROM编号信息、采集时间、采集温度等信息，并根据对温度信息的分析与处理实现对铜板A和铜板B的温度控制.单片机在PC机的控制命令下访问外部存储器并将数据上传，两者之间通过通讯接口芯片MAX232以半双工、9600波特率进行通信［2］，其通信连接如图4所示.

图4 单片机系统与上位机通信框图Fig.4 Diagram of communication with PC

3 系统软件设计

统软件设计根据功能不同可分为两大软件系统:首先为下位单片机“温度采集软件系统”，其主要负责对多个温度传感器进行实时温度采集，如图5所示;然后为“上位PC机的软件系统”，其主要负责对下位单片机发送控制命令并通过通讯接口接收单片机上传的温度信息，再将接收到的数据进行提取、计算、分析、存储，如图6所示.

图5 单片机温度采集软件系统框图Fig.5 Diagram of microchip software system

当单片机通电后，温度采集系统自动运行，软件程序驱动单片机通过连接端口向温度传感器发送初始化命令，使挂在一线总线上的所有DS18b20温度传感器进行初始化，然后系统发出“搜索命令”，搜寻总线上所带DS18b20温度传感器的总数量，并将每个DS18b20温度传感器所配备的唯一出厂ROM编号记录下来.接着单片机向挂在一线总线上的所有DS18b20温度传感器发出"温度转换"命令，单片机等待DS18b20温度传感器将自然温度值转换成16位二进制数据，并存储到自身的暂存器，再发出“ROM匹配”命令，在一线总线上找寻ROM编号与所发ROM编号相一致的DS18b20，然后对其进行温度读取，DS18b20温度传感器在读取时序的控制下将暂存器中的第1、2字节内容传送到单片机中［3］，单片机根据系统要求循环采集所需传感器的温度值，从而完成温度采集，如图5所示.

上位机PC软件主要负责向下位单片机发送控制命令，使单片机能够按照上位机软件系统的要求对符合ROM编号的温度传感器进行温度采集，并将采集到的结果传送到上位机进行处理.单片机在对温度传感器进行温度采集时得到的是2个字节的温度信息值，但是在显示与存储中必须转换成带有正负号的十进制小数形式，而单片机特别不适合进行浮点运算，因此，单片机通过串口将数据发送给上位PC机进行统一处理分析，处理后的数据可以文件的形式存储到PC机的硬盘上，操作者可随时调用此文件并通过“时间-温度曲线”显示温度采集与控制过程，如图6所示.

图6 上位PC机软件系统框图Fig.6 Diagram of PC software system

4 总结

保温材料传导系数检测系统设计的核心是保证检测过程中高质量的重复性.行业中许多测试机构同样采用热传导的方式来进行测量，但是其对同等材料检测的重复率较低，主要原因如下:第一，因为传导热量极其细微，检测中需要传感器反应灵敏，但他们没有开发模具，创造一个气密性极好的密闭箱体，根本无法保证传感器采集数据的稳定性;第二，传感器与待测物品通过黄油作为接触剂进行接触，无法保证传感器充分感应出温度的极小变化;第三，传统的高精度热电偶传感器其反应非常快捷明显，但是在后续电路的设计方面很容易造成线性漂移或零点误差，而此设计涉及到的信号为毫伏信号，很容易和干扰信号混杂一起，难以分辨.

针对上述，本设计开发模具创造出一个气密性极好的密封箱体，保证了传感器采集数据的稳定性;为保证传感器与导热铜板能够紧密配合，特意设计模具将铜板钻出等距离、等大小的空洞，然后将温度传感器埋入洞中，再用铜水进行浇注，使传感器彻底成为铜板一部分，从而保证传导检测灵敏;测试中采用集成电路温度传感器，而不是原有的热电偶传感器，有效地保证了温度传感器的一致性，并且减少了滤波电路、放大电路等外围电路对采集信号的影响，保证了测量的精确度.经过以上改进，该仪器与其他厂家所开发的仪器相比，其重复率、准确度、检测时间等方面都展现出较大优势.

［1］ 李钢，赵彦峰.1-wire总线数字温度传感器ds18b20［J］.现代电子技术，2005(8):77-79.

［2］ 朱常青.用RS-232串口实现数据的远距离通信［J］.石油仪器，2003(1):33-34.

［3］ 郑长征，毛哲，谢兆鸿.多个DS18B20在粮库测温系统中的应用［J］.自动化技术与应用，2006，25(11):87-89.