基于單片機的炭黑復合導電材料的電阻一溫度測量系

摘 要：以AT89S51單片機為核心，采用熱電偶放大器芯片AD595，設計炭黑復合導電材料的電阻一溫度測試系統，實現了電阻和溫度的測量。介紹系統的硬件結構和軟件設計方法，特別是溫度和電阻的采集和顯示過程。實驗結果表明，設計的系統能夠方便準確地測量電阻和溫度的變化，測量數據驗證了炭黑復合導電材料的PTC特性。
關鍵詞：熱電偶放大器；AD595；電阻一溫度測量；AT89S51；導電材料

0 引 言
隨著電子工業及信息技術等產業的迅速發展，對于具有導電功能的高分子材料的需求越來越迫切。導電復合材料具有質量輕、無銹蝕、易于加工成各種復雜形狀，尺寸穩定性好，電導率在較大范圍內可調，易于大批量生產以及價格便宜等特點，因此廣泛應用于抗靜電、微波吸收、自控溫發熱材料、電磁波屏蔽等領域。其中，炭黑復合導電材料是目前應用最廣，用量最大的一種。在此以AT89S51單片機為核心，設計一種簡易的測量炭黑復合導電材料電阻和溫度系統，系統框圖如圖1所示。

單片機通過熱電偶放大器芯片采集當前的溫度值；通過電壓轉換電路采集電阻值，送到FM24C02以備查詢，LCD顯示當前的電阻和溫度情況，使用者可以方便地讀出電阻和溫度的變化，還可以通過串行口和上位機上進行通信。

l AD595的工作原理與應用
AD595是AD公司生產的一款熱電偶放大器，將儀器放大器和熱電偶冷接頭補償器全部集成在1塊單片芯片上，產生一個10 mV／℃的輸出。管腳的可選擇性使其可以作為一個線性放大補償器或者是設置工作點控制器的開關輸出。
AD595包含一個熱電偶故障報警，如果熱電偶的一腳或雙腳開路，可以顯示報警信號。報警輸出有很多種靈活的方式，包括TTL形式。
AD595能夠用一個單端+5 V電壓供電。如果用負電壓，則可以測量O℃以下的溫度。為了使其自身發熱最小化，一個無負載的AD594／AD595的總電流是160μA，當然也可以把5 mA以上的電流傳送給負載。
1．1 溫度穩定性
每個AD595都測試過在不同溫度時對零點進行測量時的溫度誤差。冷接頭補償器的誤差、放大器的偏移量以及增益誤差等綜合起來決定了AD595在額定環境溫度范圍內的輸出穩定性。圖2顯示了AD595的測量誤差分布范圍。圖2中的坐標單位為℃。
1．2 熱環境效應
AD595本身固有的低能量耗散以及低熱阻抗的封裝使得它由于自身發熱引起的誤差可以忽略。例如，在靜止的空氣中，芯片的環境熱阻抗大約為80℃／W(D型封裝)。在額定的800μW的耗散下，在自由的空氣中自身發熱誤差小于0．065℃。浸沒于液態的氟中，熱阻抗大約為40℃／W，使得自身發熱誤差大約為O．032℃。如圖2為AD595的測量誤差分布。

單片機采集溫度值時，AD595的第1腳感受炭黑導電材料的溫度變化；第8腳輸出與溫度對應的電壓變化，變化系數為10 mV／℃，該電壓經過LM358放大送至V／F單元進行轉換，之后單片機把采集信息存放在FM24C04中。

2 V／F轉換器件LM331
LM331是美國NS公司生產的性價比較高的集成芯片，可作精密頻率電壓轉換器使用。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4．OV電源電壓下都有極高的精度；同時，它的動態范圍寬，可達100 dB；線性度好，最大非線性失真小于O．01％；工作頻率低，到O．1 Hz時還有較好的線性；變換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V／F或F／V等變換電路，并且容易保證轉換精度。電路見圖4。