我國是產(chǎn)煤大國，而衡量煤炭質量的最重要指標之一是其燃燒發(fā)熱量。目前國內(nèi)普遍采用以發(fā)熱量作為動力煤計價的主要依據(jù)[1]。由于煤炭的發(fā)熱量主要是利用量熱儀來測定，其測量精度和效率直接影響著煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益，同時也在節(jié)能減排、環(huán)境保護等方面發(fā)揮著極其重要的作用。

    傳統(tǒng)的煤發(fā)熱量分析方法是利用氧彈熱量計進行人工測定，操作繁瑣、費時費力[2]，并且容易產(chǎn)生偶然誤差和計算錯誤。鑒于此，本文采用ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一種新型絕熱式智能量熱儀，該系統(tǒng)以ARM微處理器為主控制單元，采用嚴格水套密封包圍工藝結構，選用高精度的鉑電阻PT1000為溫度傳感器;采用新型A/D芯片組成四路高增益、高分辨率、低漂移特性的溫度數(shù)據(jù)采集調理電路，利用分段PID控制原理設計智能量熱儀的外、內(nèi)筒水溫自動跟蹤控制算法；采用觸摸屏技術實時動態(tài)地顯示內(nèi)外筒水溫。測試結果表明，該絕熱式智能量熱儀的性能指標滿足設計要求。



2.3 ADC轉換電路
    考慮本系統(tǒng)輸入信號的變化非常靈敏，微機控制單元接收和處理PT1000熱電偶感測的溫度數(shù)據(jù)采集速度較慢，及極低噪聲的要求，本文采用一種新型高精度24位ADC轉換芯片CS5534設計智能量熱儀的4路溫度數(shù)據(jù)采集ADC轉換器電路。
    CS5534芯片是美國Cirrus Logic公司推出的一種具有極低噪音的多通道Δ-Σ型A/D轉換器，該芯片采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大器，得到高達24位分辨率的輸出結果，精度高，動態(tài)特性寬。可編程增益放大器可使放大倍數(shù)從1~32進行設定(以2倍步長增加)， 大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。該A/D轉換器還有一個靈活而簡便的同步串行接口，使轉換數(shù)據(jù)以串行方式輸出，并與SPI、Microwire兼容[4]，串行時鐘輸入備有一個施密特觸發(fā)器。采用串行接口與中央處理器芯片通信工作，接口電路設計簡單、易于擴展。
2.4 ARM控制器
    控制器主要控制4路PT1000溫度傳感器采集內(nèi)外筒水溫度數(shù)據(jù)，檢測、顯示量熱儀的工作狀態(tài)，控制量熱儀的自動進水和出水，控制外筒水溫度實時跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化，精確控制壓縮機制冷和加熱棒加熱動作,實時控制量熱儀的工作狀態(tài),檢測燃燒物質的燃燒狀態(tài),控制攪拌電機工作等功能,并且能夠與觸摸屏及A/D裝置進行實時數(shù)據(jù)通信,顯示通信狀態(tài)，與打印機實時通信完成試驗結果的打印。
    本文控制器采用具有ARM核的STM32F103單片機作為主控芯片。該芯片是一款基于CortexTM-M3核心的32 bit低功耗MCU[5],工作電壓為2.0~3.6 V,主頻達72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。具有睡眠、停機和待機3種省電模式。內(nèi)括12 bit的ADC、DMA控制器;支持定時器、ADC、DAC、SPI、I2C、UART等外設；提供欠壓復位、ECC、MPU、侵入監(jiān)測、雙看門狗、32 bit CRC、I/O端口保護和JTAG熔斷器等安全功能。綜合各項參數(shù)，STM32是最適合本系統(tǒng)的微處理器之一。
2.5 觸摸屏
    觸摸屏的作用是通過觸摸點檢測裝置接收觸摸信息，并將其轉換成觸點坐標送給CPU，同時接收、執(zhí)行CPU發(fā)來的命令。本系統(tǒng)采用威綸通公司的MT8000觸摸屏，它與控制器采用Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。觸摸屏系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設計，具有實時數(shù)據(jù)顯示與存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報警等功能，并能將內(nèi)外筒水溫度狀態(tài)進行動畫顯示。
3  軟件設計
3.1溫度控制算法設計
    溫度控制系統(tǒng)是一個大慣性、大滯后系統(tǒng)，絕熱式智能量熱儀的關鍵問題是：煤樣在燃燒過程中發(fā)出的熱量導致內(nèi)筒水溫度急劇升高。為杜絕內(nèi)筒水熱量與外筒間的熱傳導，需要實現(xiàn)外筒水溫度實時跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化。鑒于此，在本系統(tǒng)中設計了分段PID控制算法，PID參數(shù)可隨溫區(qū)的不同自動調整到最佳值。整個測溫范圍分為平衡階段和升溫階段，在平衡階段僅僅接通外筒水槽中的小加熱棒，PID控制算法驅動該加熱棒與制冷壓縮機工作狀態(tài)平衡,其平衡溫度點由系統(tǒng)工作需要設定；在煤樣燃燒啟動接通大加熱棒時， 通過PID控制算法參數(shù)的調節(jié)作用控制外筒水溫度, 并迅速跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化，從而消除內(nèi)外筒之間水的熱交換,保證內(nèi)筒中PT1000熱電偶測得的水溫全部由煤樣燃燒引起。
3.2 STM32與A/D的數(shù)據(jù)傳送控制設計
    本系統(tǒng)需要完成四路PT1000溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳送控制，STM32需要實現(xiàn)對A/D數(shù)據(jù)采集通道的選擇、初始化操作、功能與時鐘設置、A/D通道的讀寫操作、采集數(shù)據(jù)計算等。本設計采用STM32操作系統(tǒng)中的SPI函數(shù)來實現(xiàn)，具體程序代碼略。
3.3 STM32與MT8000觸摸屏的通信設計
    MT8000觸摸屏采用Modbus協(xié)議和控制器單元進行數(shù)據(jù)通信。Modbus通信協(xié)議只能識別按地址發(fā)送的消息，這就要求得知每個控制器的設備地址，才能執(zhí)行相應的控制動作。如果需要回應，則控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出，具體程序從略。
3.4 STM32的串口通信設計
    STM32控制芯片支持UART串口通信、I2C通信和SPI串行通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用RS-323進行串口通信，具體程序從略。
4 試驗
    儀器試驗具體操作過程為：
    (1)水槽加水，儀器上電，加熱棒或者壓縮機自動工作調整水槽的水溫度值，使水溫和環(huán)境溫度平衡(此時內(nèi)筒底部的閥門處于關閉狀態(tài))，外筒和水槽是連通的。
    (2)當水槽、外筒水溫和環(huán)境溫度達到一致時，打開內(nèi)筒底部的閥門開始進水，當水位升至內(nèi)筒壁水位計時，閥門自動關閉，內(nèi)筒水和外筒水環(huán)境斷開。此時為了滿足外筒水溫高于內(nèi)筒水溫1~1.5 ℃的國標要求，加熱棒開始加熱工作，并檢測內(nèi)外筒水溫是否達到一致，若達到，則停止加熱。
    (3)儀器開始攪拌5 min使內(nèi)筒水溫度分布均勻，期間外筒水在加熱棒和壓縮機的共同作用下始終沿著內(nèi)筒水溫度改變。
    (4)攪拌5 min結束時，氧彈倉中煤樣點火，內(nèi)筒水溫度急劇上升，同時檢測到內(nèi)筒水溫度上升信號，水槽中的1 000 W加熱棒開始加熱。通過外筒與水槽的水循環(huán)，該信號立刻被外筒水溫度傳感探頭檢測到，外筒水溫度開始跟蹤內(nèi)筒水溫度急劇上升,其跟蹤曲線如圖3所示。

    由圖3可以看出，開始時外筒水溫度向內(nèi)筒水溫度平衡，達到兩者溫度一致時,攪拌5 min使內(nèi)筒水溫度分布充分均勻，氧彈試樣點火后內(nèi)筒水溫度開始上升，幾乎同時外筒水溫度開始跟蹤內(nèi)筒水溫度變化，且兩者之間的跟蹤誤差最大不超過0.5 ℃。對于絕熱式儀器設計來說，0.5 ℃溫度差導致的熱交換基本可以忽略，因此，絕熱式量熱儀能夠很好地消除內(nèi)外筒之間的熱交換問題。內(nèi)筒水溫度不再變化時，外筒水溫度基本以小于0.1 ℃的超調量圍繞內(nèi)筒水溫度變化，直至試驗結束。實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

    本文開發(fā)了一種高精度的新型絕熱式智能量熱儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了水套密封包圍工藝結構、ARM嵌入式和觸摸屏技術；采用了外筒水加熱跟蹤內(nèi)筒水溫度變化的控制模式，通過引入分段式PID控制算法提高了發(fā)熱量測試結果的準確性和控制精度。試驗結果表明，該儀器性能穩(wěn)定、重復性好、準確度高，且操作方便，符合市場需求。
參考文獻
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