智能導熱系數測定系統的研制

姚　遠，王　龍，王彥娟，高　原，梁桐啟

(中國石油大學(華東)，山東 青島　266580)

智能導熱系數測定系統的研制

姚遠，王龍，王彥娟，高原，梁桐啟

(中國石油大學(華東)，山東 青島266580)

摘 要：研制了一套基于單片機數據采集的導熱系數智能化測定系統。系統以單片機STC89C52為核心，采用2個DS18B20溫度傳感器完成數據采集，結合Visual Basic 6.0編寫的人機交互界面，可實現系統熱平衡狀態的直觀判斷及平衡點的自動記錄、散熱區間的自動確定等功能，利用計算機基于最小二乘法的多項式擬合得到散熱曲線的方程，自動求解平衡點的散熱速率，最終實現了導熱系數的自動測定。

關鍵詞：導熱系數；Visual Basic；單片機；數據擬合

導熱系數是表征物質熱傳導性能的物理量，目前實驗室測量不良導體導熱系數的實驗[1,2]中，通常采用單個溫度傳感器(熱電偶)，判斷平衡時，首先將傳感器放置于上盤(發熱盤)，然后再放置于下盤(散熱盤)，采用秒表計時，肉眼讀數，手工作圖，使得實驗在測量數據精度方面存在明顯不足。針對以上問題，研制了以單片機STC89C52為核心，采用2個DS18B20溫度傳感器對上、下銅盤同時分別進行數據采集測量，同時結合VB程序編寫人機交互界面，實現了熱平衡狀態的直觀判斷，完成了散熱區間、散熱曲線的自動采集記錄，用計算機處理數據，基于最小二乘法多項式擬合得到散熱曲線方程，實現了散熱速率和導熱系數的自動計算。

圖1　實驗原理圖

2實驗原理

如圖1所示，將待測樣品制成薄圓盤狀，其上端面與一個穩定的均勻發熱盤充分接觸，下底面與一個散熱銅盤充分接觸，可以認為熱量只沿著上下方向垂直傳遞，由于樣品非常薄，側面散去的熱量可以忽略不計，即樣品內只在垂直樣品平面的方向上有溫度梯度。根據傅里葉熱傳導方程：

(1)

式(1)表明只要確定物體平行截面上的溫度T1、T2、兩截面的厚度、截面面積以及傳熱速率，則可計算材料的導熱系數λ。

圖2　散熱曲線

(2)

式(2)表明獲得導熱系數的關鍵是得到平衡狀態的T1，T2及平衡點T2的處的散熱速率。

3數據采集硬件系統

單片機STC89C52RC是臺灣宏晶公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微處理器，采用經典的MCS-51內核，具有8K字節Flash、512字節RAM、32 位I/O口線，與51系列產品指令和引腳完全兼容[4]。溫度傳感器選用DS18B20，具有64位ROM和9字節的暫存器單元，可實現溫度的9～12位數字量輸出，對應的分辨率可軟件設定為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，實現高精度的測溫[5]。

圖3　系統硬件原理圖

整個系統硬件設計如圖3所示，加熱棒由220～36 V、24 V隔離變壓器控制加熱，使熱量由上銅盤(發熱盤)經過樣品盤傳到下銅盤(散熱盤)，最終整個系統達到熱平衡狀態。通過溫度傳感器DS18B20檢測的發熱盤、散熱盤溫度值(代表樣品上、下表面溫度)，經單片機STC89C52的處理并顯示于12864液晶屏[6]，并通過串口通信，傳輸給上位機(個人PC)以曲線的形式在界面坐標系統中顯示，實現數據的自動化采集。

4軟件設計及VB上位機系統

下位機程序采用C語言設計，并在KeilμVision3環境中調試完成[7]。如圖4所示，程序首先進行顯示屏、串口、溫度傳感器的初始化，檢測串口是否接收到字符，如果未接收到字符，則采集并轉化當前溫度數據，在液晶顯示器上顯示。如果接收到字符，進一步判斷字符類型；如果字符為“s”，則采集當前上、下銅盤溫度數據并通過串口發送到上位機，此溫度值為加熱過程的溫度值；再檢測串口是否接收到字符，如果字符為“m”,則采集當前下銅盤溫度數據并通過串口發送到上位機，此溫度值為散熱過程的溫度值，如此往復循環讀取溫度函數。通過不同字符可區分加熱、散熱兩個過程。

圖4　程序運行圖

上位機系統程序采用VB[8]程序編寫，按照實現的功能，整個人機交互界面分為3個部分。如圖5所示，第一部分將兩個傳感器采集數據放置于數組中，并采用查奇、偶方式加以區分[9]，在坐標系中分別跟蹤作圖。通過曲線直觀判斷上、下銅盤平衡點，并通過取平均值方法獲得平衡點溫度值。一旦判斷出平衡狀態，則由VB界面自動記錄并計算此時的平衡點溫度值T1、T2；第二部分為散熱曲線以及溫度值MSFlexGrid表格存儲部分，將散熱銅盤、發熱銅盤直接接觸，直到加熱到比記錄平衡點溫度T2高10 ℃時，移開發熱盤，點擊散熱開始按鈕，系統自動等時間間隔內(可軟件設定)記錄采集的溫度值，直至溫度低于平衡點T2=10 ℃時，停止采集。第三部分為計算功能區，可實現函數方程的擬合、平衡點處切線斜率計算、導熱系數的計算。通過點擊相應功能按鈕，實現相應的計算。

圖5　VB程序界面

5結論

采集到上下盤的加熱溫度曲線如圖6(a)所示，加熱到20 min以后，上下盤溫度曲線均已無明顯起伏，因而可直觀判斷出系統達到了平衡狀態；點擊作圖繼續及1,2結束按鈕后，由VB程序開始記錄數據并自動計算上下盤溫度平均值，即代表了上下盤的平衡點溫度值。點擊散熱開始按鈕，系統自動按照確定的散熱區間采集數據并在坐標系中作圖，如圖6(b)所示。

圖6　數據采集截圖

通過擬合函數，對所采集的數據基于最小二乘法的多項式擬合[10,11]，得出曲線方程，界面中顯示了擬合方程的各項系數，通過計算斜率按鈕利用求導的方法獲得平衡點切線斜率，代表平衡點的散熱速率。

輸入樣品的參數，點擊計算結果按鈕，可直接得出導熱系數值。如圖7所示，計算得出的樣品的導熱系數為0.159 7，與橡膠盤導熱系數理論值0.16比較，相對誤差僅為0.1875%，測量精度很高。

圖7　計算結果

智能導熱系數測定系統[12-14]，通過上位機與下位機的配合，不再需要人工記錄實驗數據，通過圖像可以更加直觀的觀察溫度曲線的變化過程，并實時記錄計算平衡狀態后的平衡點溫度，研究散熱曲線時，采用了基于最小二乘法的多項式擬合，大大提高的實驗的測量精度和自動化程度。

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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

基金項目：中國石油大學(華東)本科生自主創新項目；中國石油大學(華東)大學生創新訓練項目(20151308)；中國石油大學(華東)實驗技術改革 (SY-B201417)

文章編號：1007-2934(2016)02-0009-04

中圖分類號：O 4-34

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.003