專利名稱：面向壓力敏感涂料測(cè)量的溫度控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度控制領(lǐng)域，準(zhǔn)確地說本發(fā)明涉及壓力敏感涂料測(cè)量過程中對(duì)溫度 的精確控制，尤其是在空間小、干擾強(qiáng)、精度高和同時(shí)需要制冷制熱的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)中，壓力測(cè)量一直是飛行器模型試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。近年來，國際 上出現(xiàn)一種新的壓力測(cè)量技術(shù)，文獻(xiàn)上一般稱作PSP(pressure sensitive paint)技術(shù)。與 傳統(tǒng)的壓力測(cè)量技術(shù)相比，PSP技術(shù)以其表面全域無插入壓力測(cè)量、對(duì)流場(chǎng)干擾小等顯著特 點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用，顯現(xiàn)出不可替代的重要作用。組建一套適合的壓力敏感涂料測(cè)量系統(tǒng)是 開展該技術(shù)在葉輪機(jī)械流場(chǎng)研究與進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)。由于溫度會(huì)影響氧分子在涂 料中的滲透或擴(kuò)散速度，從而影響發(fā)光強(qiáng)度，因此在壓敏涂料測(cè)壓技術(shù)(PSP)標(biāo)定過程中， 需要得到不同溫度及不同壓力條件下涂料熒光強(qiáng)度與光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。壓力敏感涂料測(cè)量 技術(shù)的特殊性使得其對(duì)溫度控制裝置提出了比較高的要求小尺寸、抗干擾、高精度、同時(shí) 能夠制冷制熱，而目前的溫度控制裝置不能完全滿足上述要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)和研制一種在壓力敏感涂料測(cè)壓技術(shù)中能夠?qū)囟冗M(jìn)行精 確控制的裝置。通過對(duì)恒流源電路電流的精確控制來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度控制，通過鍵盤設(shè)定 溫度值，如果輸入錯(cuò)誤可以清零后重新輸入，當(dāng)輸入完成后，只需按下運(yùn)行鍵，就可以自動(dòng) 運(yùn)行，達(dá)到設(shè)定的溫度值。溫度控制范圍為室溫士60°C，控制精度士0.8°C，操作簡(jiǎn)單方便， 性能安全可靠。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明面向壓力敏感涂料測(cè)量的溫度控制裝置，包括電源模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵 盤控制芯片、微處理器模塊、鍵盤與數(shù)碼管顯示模塊、溫度傳感器模塊以及恒流源電路模 塊，其中鍵盤的輸出端接微處理器模塊的輸入端，微處理器模塊的輸出端串接恒流源電路 模塊后與半導(dǎo)體芯片連接，微處理器模塊分別與溫度傳感器模塊和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制 芯片雙向連接，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片的輸出端分別接鍵盤與數(shù)碼管顯示模塊的輸入 端。優(yōu)選地，所述溫度傳感器模塊由參考溫度傳感器和反饋溫度傳感器構(gòu)成。優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體芯片采用半導(dǎo)體制冷片。優(yōu)選地，所述微處理器模塊采用型號(hào)為C8051F040單片機(jī)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)設(shè)計(jì)中無論是硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這使得系統(tǒng)擴(kuò) 展起來比較方便，系統(tǒng)可移植性高，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應(yīng)性。(2)反饋溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量半導(dǎo)體制冷片的當(dāng)前溫度，并通過數(shù)碼管顯示，能夠 實(shí)時(shí)判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定。
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(3)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉等特點(diǎn)。(4)系統(tǒng)可以達(dá)到士0. 8°C的精度。(5)具有制冷制熱兩種工作模式。(6)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的精確控制，可以運(yùn)用到各種需要進(jìn)行溫度控制的場(chǎng)合。


圖1 半導(dǎo)體芯片兩側(cè)溫差與其工作電流之間的關(guān)系曲線圖；圖2:恒流源電路圖；圖3:溫度自動(dòng)控制圖；圖4:系統(tǒng)控制流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是微處理器(C8051F040)通過處理鍵盤輸入信號(hào)，根 據(jù)半導(dǎo)體制冷片標(biāo)定曲線(圖1)，計(jì)算得到基本輸出電壓U，根據(jù)當(dāng)前的溫度產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào) 整電壓Δ U，控制電壓U+ Δ U經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后控制采樣電阻電壓，從而控制通過半導(dǎo)體制冷片 的電流，使被控制對(duì)象的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值?；谌惪诵?yīng)制成的半導(dǎo)體制冷片，工 作時(shí)使用直流電流，它既可制冷又可制熱，通過改變直流電流的極性可以在同一制冷片上 實(shí)現(xiàn)制冷或加熱。制冷片兩側(cè)的溫差與其工作電流成比例關(guān)系，通過恒流源控制制冷片的 工作電流，即可控制制冷片兩側(cè)溫差，如果以其中一面作為溫度參考面，就可以達(dá)到控制另 一面溫度的目的。溫度傳感器DS18B20直接輸出的就是溫度信號(hào)數(shù)字值，用其作為反饋溫 度傳感器簡(jiǎn)單可靠。通過單片機(jī)來控制恒流源電路電流，從而可以使半導(dǎo)體制冷片達(dá)到設(shè) 定溫度。主要包括以下功能通過在控制面板上輸入設(shè)定溫度，即可使系統(tǒng)自動(dòng)達(dá)到設(shè)定溫 度值，精度高，工作穩(wěn)定，無需人工干預(yù)；數(shù)碼管不僅可以顯示設(shè)定溫度值，還可以實(shí)時(shí)顯示 半導(dǎo)體制冷片工作面的當(dāng)前溫度，以觀察溫度是否穩(wěn)定；只需連接不同的接口，就可以實(shí)現(xiàn) 制冷制熱兩種工作模式的切換，安全方便。采用C8051F040單片機(jī)對(duì)恒流源電路(圖2)電流進(jìn)行控制，通過單片機(jī)上的D/A 端口，控制運(yùn)算放大器UA741上正相輸入端的輸入電壓，從而根據(jù)運(yùn)算放大的器“虛短”的 特性，控制采樣電阻Rl上壓降，從而達(dá)到控制MOS管IRF250上電流的目的；同時(shí)運(yùn)算放大 器的“虛斷”特性，還可以將恒流源與單片機(jī)相隔離，從而達(dá)到保護(hù)單片機(jī)的目的。同時(shí)設(shè) 計(jì)了 4*4的鍵盤用來設(shè)定溫度、運(yùn)行系統(tǒng)以及中止運(yùn)行；用數(shù)碼管顯示設(shè)定的溫度值和當(dāng) 前的溫度值，在鍵盤和數(shù)碼管控制方面采用CH451作為外圍芯片控制，CH451芯片是一個(gè)整 合了數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制以及μ P監(jiān)控的多功能外圍芯片，可以驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管或 64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時(shí)可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描，CH451實(shí)現(xiàn) 對(duì)鍵盤的控制和數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。在本裝置中，使用CH451來驅(qū)動(dòng)三個(gè)共陰極數(shù)碼管，同時(shí)掃 描4*4的鍵盤。溫度的閉環(huán)控制需要溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)溫度，在測(cè)量溫度方面采用 DS18B20芯片，DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820后推出的一種改進(jìn)型智能溫度 傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件，A/D轉(zhuǎn)換器，存儲(chǔ)器等集成在一個(gè)很小的集成電路芯片 上，傳感器直接輸出的就是溫度信號(hào)數(shù)字值。DS18B20的測(cè)溫范圍為-55 125°C，最大分 辨率可達(dá)0. 0625°C，在-10 84°C內(nèi)精度為士0. 5°C，現(xiàn)場(chǎng)溫度可直接通過“一線總線”以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在該溫度調(diào)節(jié)裝置中，通過控制半導(dǎo)體制冷 片中電流的大小來控制其兩側(cè)溫差，因此需要測(cè)量半導(dǎo)體制冷片溫度參考面與工作面兩個(gè) 面的溫度。將半導(dǎo)體制冷片工作面進(jìn)行25等分，對(duì)其進(jìn)行了表面溫度一致性測(cè)試，以45°C 為例，測(cè)試結(jié)果如表1所示；從表1可知，半導(dǎo)體制冷片表面溫度變化僅為士0. 3°C，可認(rèn)為 半導(dǎo)體制冷片表面溫度均勻，因此僅使用兩個(gè)DS18B20芯片分別作為參考溫度傳感器與反 饋溫度傳感器，來測(cè)量溫度參考面與工作面的溫度。
44. 745. 245. 245. 245. 344. 845. 245. 245. 245. 344. 745. 145. 245. 345. 344. 845. 245. 245. 345. 344. 845. 245. 245. 245. 3表1半導(dǎo)體芯片表面一致性測(cè)試結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，包括電源模塊、JTAG接口調(diào)試模塊、微處理器模 塊、鍵盤輸入與數(shù)碼管顯示模塊、溫度傳感器模塊以及恒流源電路模塊。單片機(jī)選用低功 耗、高性能、CMOS八位微處理器C8051F040，片內(nèi)有64K字節(jié)的可擦寫存儲(chǔ)器，4352B的片內(nèi) RAM，8組I/O 口，以流水線處理指令。設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的原理圖，進(jìn)行了硬件電路的加工以及元器件的焊接、進(jìn)行了控 制的系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，通過對(duì)系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完 成后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最后軟、硬件進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試。調(diào)試完成后，進(jìn)行了相關(guān)的 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可能，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。該裝置的控制功能通過按鍵設(shè)定溫度，對(duì)恒流源電流進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)可以實(shí) 現(xiàn)制冷制熱兩種工作模式，能夠穩(wěn)定在室溫士60°C范圍內(nèi)，同時(shí)通過數(shù)碼管可以實(shí)時(shí)顯示 當(dāng)前半導(dǎo)體制冷片的溫度。如圖4所示，開機(jī)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化、開中斷、開啟鍵盤掃描，調(diào)用顯示子程 序，顯示輸入的溫度值。當(dāng)有鍵值按下時(shí)執(zhí)行鍵盤處理子程序，根據(jù)不同的鍵碼執(zhí)行相應(yīng) 的子程序，當(dāng)需要進(jìn)行溫度控制時(shí)，可以按“運(yùn)行”鍵，此時(shí)系統(tǒng)可以產(chǎn)生基本輸出電壓來使 系統(tǒng)的溫度逼近設(shè)定溫度，基本電壓是依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定的半導(dǎo)體制冷片性能曲線確定的，由 于各種現(xiàn)場(chǎng)干擾，系統(tǒng)不會(huì)精確地到達(dá)設(shè)定的溫度值；所以需要進(jìn)行精確控制，按下“觀察” 鍵，此時(shí)數(shù)碼管可以顯示當(dāng)前半導(dǎo)體制冷片的溫度，以觀察溫度是否達(dá)到設(shè)定值，另一方面 同時(shí)按下此鍵，可以啟動(dòng)精確控制，即產(chǎn)生調(diào)整溫度值△ U，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的溫度值。該裝 置在南京航空航天大學(xué)相關(guān)試驗(yàn)中進(jìn)行了使用，表明系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，實(shí)際溫度 與設(shè)定溫度相一致，節(jié)約了試驗(yàn)成本，提高了測(cè)量精度，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，提高了工作效率。
權(quán)利要求
一種面向壓力敏感涂料測(cè)量的溫度控制裝置，其特征在于包括電源模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片、微處理器模塊、鍵盤與數(shù)碼管顯示模塊、溫度傳感器模塊以及恒流源電路模塊，其中鍵盤的輸出端接微處理器模塊的輸入端，微處理器模塊的輸出端串接恒流源電路模塊后與半導(dǎo)體芯片連接，微處理器模塊分別與溫度傳感器模塊和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片雙向連接，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片的輸出端分別接鍵盤與數(shù)碼管顯示模塊的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向壓力敏感涂料測(cè)量的溫度控制裝置，其特征在于所述溫 度傳感器模塊由參考溫度傳感器和反饋溫度傳感器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向壓力敏感涂料測(cè)量的溫度控制裝置，其特征在于所述半 導(dǎo)體芯片采用半導(dǎo)體制冷片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向壓力敏感涂料測(cè)量的溫度控制裝置，其特征在于所述微 處理器模塊采用型號(hào)為C8051F040單片機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種面向壓力敏感涂料測(cè)量的溫度控制裝置，包括電源模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片、微處理器模塊、鍵盤與數(shù)碼管顯示模塊、溫度傳感器模塊以及恒流源電路模塊，其中鍵盤的輸出端接微處理器模塊的輸入端，微處理器模塊的輸出端串接恒流源電路模塊后與半導(dǎo)體芯片連接，微處理器模塊分別與溫度傳感器模塊和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片雙向連接，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片的輸出端分別接鍵盤與數(shù)碼管顯示模塊的輸入端。本發(fā)明通過單片機(jī)控制恒流源來控制半導(dǎo)體制冷片的工作電流，使該溫度控制裝置能夠在室溫±60℃范圍內(nèi)對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確控制。具有制冷制熱兩種工作模式；通過改變半導(dǎo)體制冷片工作電流的方向即可實(shí)現(xiàn)兩種模式的切換。
文檔編號(hào)G01N21/64GK101976088SQ20101050006
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者張延召, 張慧豫, 毛建國, 沈峘, 金智林, 黃國平 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)