基于嵌入式系统的热分析仪器测控系统研究

摘要

随着电子技术和计算机技术的飞速发展，分析仪器呈现出数字化、智能化、自动化、集成化和网络化的发展趋势。研究的联合型热分析仪器(FRC)就是这种趋势下的产物，FRC是一种在程序控制温度下，测量被测物质的热重(TG)、差热(DTA)与温度关系的一种高精度分析仪器，是质量控制、技术鉴定和科学研究所必需的基本设备。温度程序是在单片机的控制下，实现对加热炉的持续加温、恒温、降温作用，以达到对分析物质的相变、分解、化合、脱水、吸附、解析、溶化、凝固、升华、蒸发，通过这种高科技技术来提升由北京光学仪器厂生产的WCT系列热分析仪器，使热分析仪器测试准确可靠，减小了其外观尺寸，方便维护，成本低廉。 通过分析联合型热分析仪器(FRC)的工作原理，研究基于单片机的嵌入式技术在仪器设计上的运用和阐述联合型热分析仪器的性能要求及参数指标，来达到如何使用现代技术手段开发热分析仪器的目的，因此论文重在介绍新技术、新方法在对联合型热分析仪器(FRC)开发时的技术运用。 设计的FRC热分析仪器下位机硬件系统是以C8051F020单片机和24位A/D转换器ADS1216为核心的一体化数据采集控制系统，实现了对温度(T)、差热(DTA)、热重(TG)、偏差、炉压及温度报警信号的采集和控制，单片机与A/D转换器之间的通信采用结构简单性能可靠的SPI通讯方式。设计的数据采集和信号调理电路部分采用仪用放大器AD521和抗干扰能力极强的放大器OP27，构建了采集信号的有效高精度转换，提出了应用模糊PID控制实现了对加热炉加热的有效控制和通过RS232串口实现了上下位机的通讯、测试过程的自动控制及测量过程中信号的采集和处理。 硬件电路部分设计和构建的同时，也编制了下位机的控制处理软件，重点开发了ADS1216的SPI通讯控制程序、串口通讯控制程序、加热炉加热控制程序和加热炉升降机构的控制程序，且下位机的软件编写都经过了严格的测试，能够有效的完成仪器要求的各种技术指标。 开发的热分析仪器已经在企业连续投产，产生了显著的经济效益。实际应用证明，开发的热分析仪器具有运行可靠稳定和抗干扰能力强的特点。开发过程中，充分考虑了仪器硬件与软件系统的协调统一，保证了系统高精度、高速度、高可靠性的设计要求，使系统的硬件结构简化，体积减小，一体化程度增强，且系统的更新升级和功能扩展极为容易。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

1.1课题研究的意义和应用价值

1.1.1理论意义

1.1.2现实意义

1.1.3应用价值

1.2热分析发展状况

1.3课题背景和研究内容

1.3.1课题背景

1.3.2构想与思路

1.3.3研究内容

第二章热分析仪器概述

2.1热分析概述

2.2传统热分析仪结构组成

2.3 FRC热分析仪结构组成

第三章系统方案及硬件设计

3.1系统的总体方案及设计目标

3.1.1系统设计总体方案

3.1.2系统设计技术指标

3.2智能化热分析仪器结构

3.3硬件设计

3.3.1单片机应用

3.3.2系统电路图

3.3.3振荡电路与复位电路

3.3.4模数转换

3.3.5热分析仪器加热元件

3.3.6热电偶温度测量

3.3.7信号放大与处理：

3.3.8单片机接地问题

3.3.9通讯接口

3.3.10加热炉升降控制

3.3.11直流电源设计及检测

第四章下位机软件的设计

4.1单片机C语言简介

4.2软件开发环境

4.2.1 Keil C编译器简介及Silabs开发环境

4.2.2 Keil C开发的步骤及注意事项

4.3程序运行流程及上、下位机通讯命令定义

4.4数据采样程序：

4.5串口通讯程序：

4.6加热炉加热

4.6.1加热炉加热方式

4.6.2模糊PID算法

4.7升降机构控制

第五章总结

5.1结论及主要研究工作

5.2后续工作及改进设想

参考文献

附录热分析仪器例图

致谢

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果