智能导热系数测定系统的研制

姚　远，王　龙，王彦娟，高　原，梁桐启

(中国石油大学(华东)，山东 青岛　266580)

智能导热系数测定系统的研制

姚远，王龙，王彦娟，高原，梁桐启

(中国石油大学(华东)，山东 青岛266580)

摘 要：研制了一套基于单片机数据采集的导热系数智能化测定系统。系统以单片机STC89C52为核心，采用2个DS18B20温度传感器完成数据采集，结合Visual Basic 6.0编写的人机交互界面，可实现系统热平衡状态的直观判断及平衡点的自动记录、散热区间的自动确定等功能，利用计算机基于最小二乘法的多项式拟合得到散热曲线的方程，自动求解平衡点的散热速率，最终实现了导热系数的自动测定。

关键词：导热系数；Visual Basic；单片机；数据拟合

导热系数是表征物质热传导性能的物理量，目前实验室测量不良导体导热系数的实验[1,2]中，通常采用单个温度传感器(热电偶)，判断平衡时，首先将传感器放置于上盘(发热盘)，然后再放置于下盘(散热盘)，采用秒表计时，肉眼读数，手工作图，使得实验在测量数据精度方面存在明显不足。针对以上问题，研制了以单片机STC89C52为核心，采用2个DS18B20温度传感器对上、下铜盘同时分别进行数据采集测量，同时结合VB程序编写人机交互界面，实现了热平衡状态的直观判断，完成了散热区间、散热曲线的自动采集记录，用计算机处理数据，基于最小二乘法多项式拟合得到散热曲线方程，实现了散热速率和导热系数的自动计算。

图1　实验原理图

2实验原理

如图1所示，将待测样品制成薄圆盘状，其上端面与一个稳定的均匀发热盘充分接触，下底面与一个散热铜盘充分接触，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，由于样品非常薄，侧面散去的热量可以忽略不计，即样品内只在垂直样品平面的方向上有温度梯度。根据傅里叶热传导方程：

(1)

式(1)表明只要确定物体平行截面上的温度T1、T2、两截面的厚度、截面面积以及传热速率，则可计算材料的导热系数λ。

图2　散热曲线

(2)

式(2)表明获得导热系数的关键是得到平衡状态的T1，T2及平衡点T2的处的散热速率。

3数据采集硬件系统

单片机STC89C52RC是台湾宏晶公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微处理器，采用经典的MCS-51内核，具有8K字节Flash、512字节RAM、32 位I/O口线，与51系列产品指令和引脚完全兼容[4]。温度传感器选用DS18B20，具有64位ROM和9字节的暂存器单元，可实现温度的9～12位数字量输出，对应的分辨率可软件设定为0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，实现高精度的测温[5]。

图3　系统硬件原理图

整个系统硬件设计如图3所示，加热棒由220～36 V、24 V隔离变压器控制加热，使热量由上铜盘(发热盘)经过样品盘传到下铜盘(散热盘)，最终整个系统达到热平衡状态。通过温度传感器DS18B20检测的发热盘、散热盘温度值(代表样品上、下表面温度)，经单片机STC89C52的处理并显示于12864液晶屏[6]，并通过串口通信，传输给上位机(个人PC)以曲线的形式在界面坐标系统中显示，实现数据的自动化采集。

4软件设计及VB上位机系统

下位机程序采用C语言设计，并在KeilμVision3环境中调试完成[7]。如图4所示，程序首先进行显示屏、串口、温度传感器的初始化，检测串口是否接收到字符，如果未接收到字符，则采集并转化当前温度数据，在液晶显示器上显示。如果接收到字符，进一步判断字符类型；如果字符为“s”，则采集当前上、下铜盘温度数据并通过串口发送到上位机，此温度值为加热过程的温度值；再检测串口是否接收到字符，如果字符为“m”,则采集当前下铜盘温度数据并通过串口发送到上位机，此温度值为散热过程的温度值，如此往复循环读取温度函数。通过不同字符可区分加热、散热两个过程。

图4　程序运行图

上位机系统程序采用VB[8]程序编写，按照实现的功能，整个人机交互界面分为3个部分。如图5所示，第一部分将两个传感器采集数据放置于数组中，并采用查奇、偶方式加以区分[9]，在坐标系中分别跟踪作图。通过曲线直观判断上、下铜盘平衡点，并通过取平均值方法获得平衡点温度值。一旦判断出平衡状态，则由VB界面自动记录并计算此时的平衡点温度值T1、T2；第二部分为散热曲线以及温度值MSFlexGrid表格存储部分，将散热铜盘、发热铜盘直接接触，直到加热到比记录平衡点温度T2高10 ℃时，移开发热盘，点击散热开始按钮，系统自动等时间间隔内(可软件设定)记录采集的温度值，直至温度低于平衡点T2=10 ℃时，停止采集。第三部分为计算功能区，可实现函数方程的拟合、平衡点处切线斜率计算、导热系数的计算。通过点击相应功能按钮，实现相应的计算。

图5　VB程序界面

5结论

采集到上下盘的加热温度曲线如图6(a)所示，加热到20 min以后，上下盘温度曲线均已无明显起伏，因而可直观判断出系统达到了平衡状态；点击作图继续及1,2结束按钮后，由VB程序开始记录数据并自动计算上下盘温度平均值，即代表了上下盘的平衡点温度值。点击散热开始按钮，系统自动按照确定的散热区间采集数据并在坐标系中作图，如图6(b)所示。

图6　数据采集截图

通过拟合函数，对所采集的数据基于最小二乘法的多项式拟合[10,11]，得出曲线方程，界面中显示了拟合方程的各项系数，通过计算斜率按钮利用求导的方法获得平衡点切线斜率，代表平衡点的散热速率。

输入样品的参数，点击计算结果按钮，可直接得出导热系数值。如图7所示，计算得出的样品的导热系数为0.159 7，与橡胶盘导热系数理论值0.16比较，相对误差仅为0.1875%，测量精度很高。

图7　计算结果

智能导热系数测定系统[12-14]，通过上位机与下位机的配合，不再需要人工记录实验数据，通过图像可以更加直观的观察温度曲线的变化过程，并实时记录计算平衡状态后的平衡点温度，研究散热曲线时，采用了基于最小二乘法的多项式拟合，大大提高的实验的测量精度和自动化程度。

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The Development of the Intelligent Thermal Conductivity Measuring System

YAO Yuan，WANG Long，WANG Yan-juan，GAO Yuan，LIANG Tong-qi

(China University of Petroleum (East China),Shandong Qingdao 266580)

Abstract：An intelligent thermal conductivity measuring system based on single-chip microcomputer data acquisition is designed.The system uses a single-chip microcomputer STC89C52 and two temperature sensors DS18B20 to complete the data acquisition.Combining the human-computer interaction interface designed by Visual Basic 6.0 programming,it can judge thermal equilibrium state intuitively and record equilibrium point and cooling range automatically.Moreover,the mathematic model of least-square fitting of polynomials is utilized for the drawing of the cooling curve,and the cooling rate of the equilibrium point can be calculated automatically,thus the measurement of the thermal conductivity is realized.

Key words：thermal conductivity；Visual Basic；single chip microcomputer；data fitting

收稿日期：2015-11-14

基金项目：中国石油大学(华东)本科生自主创新项目；中国石油大学(华东)大学生创新训练项目(20151308)；中国石油大学(华东)实验技术改革 (SY-B201417)

文章编号：1007-2934(2016)02-0009-04

中图分类号：O 4-34

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.003