基于单片机的沥青智能软化点测试仪

引言

　　直径为10mm的沥青球试样安放于浸泡在传热介质中的支架上，当加热到一定温度时，沥青熔化，此时从试样上会有沥青溶液通过支架上的孔滴下，被装在其下面的光电检测装置检测到，这时的温度就为沥青的软化温度。整个过程在1000mL的烧杯里进行。

　　1系统硬件结构

　　整个系统为以AT89C51单片机为核心的控制器，硬件结构框图见图1所示，可以分为以下几个部分。

　　(1)单片机及键盘、显示器等外围电路采用AT89C51单片机芯片作为处理器，其片内自带4KB的E2PROM，且指令系统与Intel MCS-51完全兼容。本系统采用汇编语言编程，控制程序容量约2KB，所以不需另外扩展程序存储器，使得控制电路得到简化，另外芯片内的128个字节的用户RAM也足够系统使用。

　　根据仪器操作的需要，在仪器面板上设计了两个按钮，—个是“测试”键，另一个是“结果”键，由P1.0和P1.1分别控制。上电后，按下“测试”键，P1.1输入低电平，仪器启动，否则不启动;任何时候按下“结果”键，P1.2输入低电平，此时若测试没有结束，显示结果变为零，若测试己结束，显示软化点温度。

　　为避免系统扩展并行接口芯片，采用单片机串行接口方式0的输出方式，外接两片74LS164移位寄存器来构成八位LED显示器接口，其一片的输出端通过PNP型三极管用来作显示器的位控，接至显示器的字位口;另一片输出控制要显示的数据码，且为了提高驱动能力，在该芯片输出端接一片74LS245输出数据至显示器的字型口，使输出电流扩大至20mA。八位显示器中左四位为时间显示，单位为分，右四位为温度显示，单位为℃，均精确到小数点后面一位。

　　(2)加热控制回路采用晶闸管控制加热回路的触发，在回路中接有加热指示灯，测试时通过观察仪器面板上指示灯的亮与灭得知电阻丝的加热与停止。当监控程序判断出需要加热时，单片机P1.4口发出低电平，使PNP型三极管8850导通，经MOC3041光电隔离，在其4引脚输出晶闸管的触发控制信号，使晶闸管触发端触发导通，加热电阻丝由220伏的交流电供电加热;当控制程序判断出需要停止加热时，单片机P1.4口发出高电平，使8850处于截止状态，停止电阻丝的加热。电路抗干扰能力强，输入输出完全隔离，绝缘性能良好。

　　(3)温度信号采集、放大及转换回路采用P N结型温度传感器——三极管9013来获取温度数据。这种传感器灵敏度高，线性度好。其测温范围为0℃～+125℃，随着温度的升高其基极和发射极之间的电压下降，变化率(温度系数)为2mV/℃。为了得到更高的测量精度，可以采用软件补偿的方法，根据9013的温度-电压特性曲线，计算出每个温度数据下需要补偿的电压值，在A/D转换程序中加以补偿。9013测得的电压信号经带有差动输入的通用集成运放LM324进行放大。

　　为把放大器输出的模拟电压转化为数字信号输入给单片机，采用LM331型压频变换器。LM331的输入信号即为放大器的输出电压，经LM331转换为一定频率的脉冲，该脉冲信号直接连到AT89C51的T1端(片内定时/计数器T1的外部计数输入端)，由T1计该脉冲序列的个数，从而实现了模数转换。LM331的电压信号输入端的值为0～10V，相应的输出端的频率信号为10～10kHz。由于LM331输出的是频率信号，所以抗干扰能力强，线性度高，且传输简单、方便。只需1根输出信号线与单片机直接连接，大大节约了系统端口资源，简化了控制电路设计。

　　(4)检测回路为了确保可靠地检测沥青软化，安装了两个光电检测装置，当两个检测装置都检测到沥青软化( 沥青 溶液滴下，把检测装置光发射端的光挡住，使接收端收不到光)时，则其输出端分别发出高电平信号。为了防止水中杂质及水沸腾产生的水泡引起的微弱信号使检测装置发生误动作，用运算放大器LM324作电压比较器，只有当输出信号具有一定强度才能使电压比较器输出高电平;该信号分别经三极管连接使P1.6和P1.5得到低电平输入信号;当P1.6和P1.5同时检测到低电平时才认为沥青已软化。此时，加热回路被切断。实验结束，记录下该时刻的温度，该温度值即为沥青的软化温度。

　　2系统软件设计

　　软件采用模块化结构，由主程序和中断服务程序构成。AT89C51的T0用来控制加热与停止的时间，时间基准为2ms，工作于方式0下的中断方式;T1工作于方式0计LM331输出的脉冲数，由于LM331输出的最大值为10kHz，故T1不可能计满溢出。主程序包括系统的初始化模块、温度控制模块、A/D转换及数据处理模块、标准数据存储模块等。中断服务程序包括键盘处理和数据显示等。初始化的内容包括堆栈指针、中断允许寄存器、定时器的工作方式寄存器等的设置，定时器初值的设置，定时器的启动，内部RAM单元的清零等。在中断服务程序中，每隔0.5秒扫描一次键盘程序，每隔1.2秒读一次A/D转换的温度数据。由于升温过程不是一个线性过程，必须进行实时控制。在控温程序中，将读得的温度数据与标准温度数据进行比较，若超过该标准数据，即进行超温处理，否则进行欠温处理。

　　主程序流程图见图2，其中的控温程序流程图见图3。

　　3结束语

　　经过实际使用，该沥青软化点仪测试精确，性能稳定，抗干扰能力强。在实际使用中，为了使温度场均匀，在容器中添加了磁力搅拌，进一步提高了测试的精确度。