智能型热性能参数测量仪

　　一、前言

　　电子设备的热性能参数，包括各类功耗电子器件、组件及整机的温度及其分布，强制对流冷却电子机箱(柜)中流体的流速(量)以及流经机箱流体的压力损失(压降)等3个参数.掌握这些参数的数据是进行电子设备可靠性热设计的关键。例如，电子器件的壳温是直接关连到器件和整机的工作寿命。由于电子器件的失效率是与温度呈指数增加的关系，所以设计时必需按可靠性指标，严格控制在许用的范围内。流量与压降这两个参数，则是采用强制冷却电子设备在选用风机时，必要的主要性能指标。

　　上述参数，虽然在理论上可进行一些计算，但由于电子设备组装结构形式的多样性、复杂性、内部印制电路板的布设、元器件的安装方式等多种因素的影响，使理论计算的结果与实际情况偏差较多，在某些情况下甚至无法计算。这就决定了对现有的电子设备或研制的样机、模型进行热性能参数测量的必要性。因此，我们应用了由单片机与相关传感器组合成的多功能智能型仪器对电子设备的温度、流速和压降这3个运行参数，进行单点、多点巡回检测并显示、打印数据。

　　二、系统的硬件设计

　　1.传感器的选用

　　(1)温度传感器根据电子设备和功率电子器件的工作温度范围，一般为-50 —-150 .C，我们选用了性能/价格比最佳的铜一康铜(分度号为T)或镍铬一康铜(分度号为E)热电偶温度传感器。其参考端的温度补偿由计算机软件解决。它的基本原理见图1所示。

　　上述过程的叠加以及热电势的转换处理，均编写成相应的程序，由单片机执行。

　　(2)流速传感器强制对流冷却的电子机箱，其流速一般在l Om/s范围之内。为便于与接口电路匹配，选用了热球式传感器。若将热球式传感器与高精度的热线式流速仪，置于低速风洞中(0—10m/s范围)进行标定试验，则可得到流速与热电势的函数关系式，为：

　　利用计算机对上述多项式进行拟合处理，将传感器输出的电势值，直接转换为对应的流速值。

　　(3)压力传感器在强冷的电子设备中，流体流过机箱(柜)后形成的压降，一般在0.1—10kPa范围内。为此，我们选用了横向压阻式硅压力补偿式传感器(MPX2010系列)。它具有精度高、线性好、长期使用的复现性和可靠性高的特点。这种系列的传感器的灵敏度，在满量程下每伏激励电压对应有25mV的电压输出，并保持着量程范围内压力与电压的良好线性关系。传感器的线性度为士0. 15%F.S，实际精度可控制在士1%之内。

　　2.电路设计

　　如图2所示，系统电路由数据采集、放大、A/D转换、CPU、扩展电路、键盘与显示打印等组成。

　　(1)数据采集与放大由图3可见，64路的温度信号是通过8个模拟电子开关(CD4051)选通输入。另设两只模拟电子开关:一个设置于放大器之前，用来分别选通温度、流速和压力3个参数的输入信号;一个置于放大器之后，用于选通由AD590测得的机箱内实时环境温度信号(直接进入A/D转换器)和放大后的温度信号。

　　采用数控增益测量放大器(AD620)，其增益采取可调外接电阻网络形式获得。按热性能参数各信号的数值范围，各信号的增益分别为:热电偶100、流速50、压力500。

　　(2)A/D转换器模/数转换是选用位双积分A/D转换器(MC14433)，它具有转换精度高(士0.05%)、转换速率快(25次/s)、外围电路简单、抗干扰能力强，并且有自动量程控制信号输出的特点。为提高其转换精度，另加一精密稳压器(MC1403)，以提供一定的偏压，叠加于放大器之上，使进入A/D转换的电压接近于参考电压。

　　(3)键盘、显示接口电路键盘采用矩阵式键盘，中断工作方式。扩展芯片8155作为I/O接口，其中，P;口经74LS245驱动LED o PR口的3位与P。口的5位组成15个按键，设置于行列交叉点上。行线通过上拉电阻接5V电源，箱位于高电平状态。低电平信号经74LS11边沿触发8031 INT,中断。当键按下时，即执行键盘扫描，完成该键的功能程序。

　　显示采取软件译码6位8段LED动态显示电路。8155的P口输出扫描信号，经反相器(7406)逐个点亮共阴显示器。

　　(3)打印机接口电路作为人一机联系部件，本系统配设微型打印机。由8031 P。口直接与打印机的数据线DB0-7，相连，P3-5口读入BUSY由电平来查询打印机状态。选通信号(STB)经译码器(74L5138)与丽豆信号、74LS32相“或”而成。

　　三、系统的软件设计

　　系统的软件，由监控程序、数据处理程序、打印驱动程序等几部分组成。

　　图4为监控程序流程图。图5为数据处理及A/D转换的程序图。数据采集主要是给74L5377赋值，选通模拟开关的预定通道，完成测试信号的采集。选通值存放于EPROM(2764)之中。由传感器送出的模拟信号进入A/D转换器(MC14433 )，因EOC与DU端相连，每次转换后均有相应的BCD码和选通信号，在执行预定的程序后，将数据存入片内RAM单元。

　　四、结束语

　　通过对上述产品的设计和研制，使得表征电子设备热性能的3个参数:温度、流速(量)和压降的测试问题，基本上得以解决。有了足够的实测数据和资料，即可为众多的电子设备热性能的改进和完善，以及新开发的电子产品的热性能设计工作，提供科学的依据.使热设计工作更趋于合理和先进，进一步提高电子产品的经济效益和社会效益.

　　参考文献

　　1何主民编着.单片机应用系统设计.北京:航空航天大学 出版社，1993.

　　2董圣国娜编薯.智能仪器.北京，献空T朴出版社.1993.

　　本文作者：谢德仁、翟磊