摘  要： 介紹了一種低熱電勢(shì)程控掃描開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。單片機(jī)ATmega8515通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制12路波段開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)量通道切換功能。該掃描開(kāi)關(guān)可手動(dòng)操作，也可程控操作，已成功應(yīng)用于全自動(dòng)溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該掃描開(kāi)關(guān)極大降低了測(cè)量通道的熱電勢(shì)，在計(jì)量檢定領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 掃描開(kāi)關(guān)；ATmega8515；熱電勢(shì)；檢定

　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定規(guī)程[1]的要求，在檢定過(guò)程中使用的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的寄生電勢(shì)應(yīng)不大于0.4 μV。為了滿(mǎn)足自動(dòng)檢定的需要，可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的程控掃描開(kāi)關(guān)已逐漸成為應(yīng)用趨勢(shì)。
　程控掃描開(kāi)關(guān)的核心是多路切換開(kāi)關(guān)，一般使用銀觸點(diǎn)低熱電勢(shì)波段開(kāi)關(guān)。楊平[2]等人探討了使用通用繼電器代替低熱電勢(shì)切換開(kāi)關(guān)的可能性，但認(rèn)為常規(guī)繼電器由于接點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)過(guò)大，尚無(wú)法取代低熱電勢(shì)切換開(kāi)關(guān)；王磊[3]等人研制了用于標(biāo)準(zhǔn)電池檢定的程控開(kāi)關(guān)，使用輕壓力旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)作為開(kāi)關(guān)部件，其電熱電勢(shì)低于20 nV；易曉林[4]使用恒流源法檢測(cè)低熱電勢(shì)掃描開(kāi)關(guān)的接觸熱電勢(shì)，認(rèn)為掃描開(kāi)關(guān)點(diǎn)的篩選及定期檢測(cè)是有必要的。
　本文設(shè)計(jì)的低熱電勢(shì)程控掃描開(kāi)關(guān)不使用常規(guī)繼電器完成開(kāi)關(guān)切換，而是通過(guò)接觸熱電勢(shì)檢測(cè)篩選，其使用的12路輕壓力旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)完全符合標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定的要求。該掃描開(kāi)關(guān)具有接觸熱電勢(shì)低、性能穩(wěn)定、體積小、重量輕、自動(dòng)與手動(dòng)兩用的特點(diǎn)，與自動(dòng)熱電偶校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件配合，可以同時(shí)完成10只一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或11只二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的自動(dòng)檢定。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　圖1是低熱電勢(shì)程控掃描開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖，其外觀(guān)及手動(dòng)使用方法與常規(guī)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)類(lèi)似。
使用通道選擇旋鈕可以手動(dòng)選擇測(cè)量通道，一共有12路測(cè)量通道，組成2×12的切換開(kāi)關(guān)。測(cè)量通道的接線(xiàn)端子由純銅制成，與三聯(lián)波段開(kāi)關(guān)通過(guò)粗銅線(xiàn)直接相連，以降低接觸熱電勢(shì)。在三聯(lián)12路波段開(kāi)關(guān)中，有一聯(lián)波段開(kāi)關(guān)專(zhuān)門(mén)用于開(kāi)關(guān)的定位檢測(cè)。三聯(lián)波段開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)柔性聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連，以消除可能的非同軸傳動(dòng)帶來(lái)的影響。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩大，適合于克服波段開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的靜摩擦力。步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，單片機(jī)每發(fā)送一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)細(xì)分角度。環(huán)形變壓器將220 V交流電壓經(jīng)全橋堆整流后，為步進(jìn)電機(jī)提供24 V直流電壓。

　本開(kāi)關(guān)使用的步進(jìn)電機(jī)是北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的17HS001型兩相步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為0.15 Nm，步距角為1.8°，空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為390 r/min。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為配套的SH-2H042型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器電壓為直流24 V，電流為1.6 A，細(xì)分?jǐn)?shù)為5。經(jīng)實(shí)際使用，可達(dá)到控制要求。
　本開(kāi)關(guān)的步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及環(huán)形變壓器均是發(fā)熱較多的器件，除了使用散熱孔外，還使用雙層隔熱板與開(kāi)關(guān)部分隔開(kāi)，以減輕對(duì)三聯(lián)波段開(kāi)關(guān)的溫度影響。三聯(lián)波段開(kāi)關(guān)被單獨(dú)隔離在具有散熱孔的電磁屏蔽空間內(nèi)。
2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2.1 控制電路
　低熱電勢(shì)程控掃描開(kāi)關(guān)的控制電路如圖2所示。MCU使用Atmel公司的8 bit AVR單片機(jī)ATmega8515。圖2包含了除電源及RS232之外的所有電路。P1是用于MCU在線(xiàn)下載程序的Atmel標(biāo)準(zhǔn)IDC6接頭；R1、C1組成開(kāi)機(jī)復(fù)位延遲電路；使用外部4.915 2 MHz晶體的目的是準(zhǔn)確配合9 600 b/s串口通信速率。

　ATmega8515的PD2數(shù)字I/O口配置為輸出，發(fā)送脈沖以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；S1是三聯(lián)12路波段開(kāi)關(guān)中用于開(kāi)關(guān)定位的檢測(cè)開(kāi)關(guān)聯(lián)，由MCU的PA及部分PC數(shù)字I/O口檢測(cè)。這些數(shù)字I/O口配置為開(kāi)啟上拉電阻的輸入口，這樣可節(jié)省檢測(cè)所需的上拉電阻；S2是手動(dòng)通道選擇旋鈕，是一個(gè)普通的12路波段開(kāi)關(guān)，用于選擇及指示當(dāng)前測(cè)量通道，其檢測(cè)方法與S1相同。ATmega8515可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，4個(gè)發(fā)光二極管分別用來(lái)指示系統(tǒng)狀態(tài)：LED Running點(diǎn)亮表示步進(jìn)電機(jī)正在轉(zhuǎn)動(dòng)中；LED Ready點(diǎn)亮表示到達(dá)開(kāi)關(guān)位置；LED Error點(diǎn)亮表示系統(tǒng)出錯(cuò)；LED Remote點(diǎn)亮表示掃描開(kāi)關(guān)處于計(jì)算機(jī)遙控狀態(tài)。

　從圖2中可以看到，系統(tǒng)使用了ATmega8515大多數(shù)端口，其功能、速度可滿(mǎn)足控制需要，符合嵌入式設(shè)計(jì)夠用、好用的思想。
2.2 波段開(kāi)關(guān)的步進(jìn)電機(jī)控制
　低熱電勢(shì)程控掃描開(kāi)關(guān)控制的核心是如何使步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)位置。
根據(jù)所用步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，經(jīng)過(guò)細(xì)分?jǐn)?shù)為5的驅(qū)動(dòng)器細(xì)分控制后，單個(gè)控制脈沖的轉(zhuǎn)動(dòng)角為0.36°。對(duì)于一個(gè)通道切換過(guò)程，需要連續(xù)發(fā)出83.333…個(gè)脈沖后才能達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)30°的要求。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)動(dòng)角與通道之間的角度不能滿(mǎn)足整倍數(shù)關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏差。例如，如果一個(gè)通道發(fā)出83個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈帶來(lái)的誤差為1.44°。由此可見(jiàn)，選擇帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器可以提高控制精度。如果使用步距角為1.5°的步進(jìn)電機(jī)，可以只發(fā)送20個(gè)脈沖就使其轉(zhuǎn)動(dòng)30°，從而消除轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。
　步進(jìn)電機(jī)可以準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度，但在控制脈沖因干擾等原因出錯(cuò)時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度就無(wú)法確定了。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的積累誤差也會(huì)影響轉(zhuǎn)動(dòng)角度的確定。而本文設(shè)計(jì)的波段開(kāi)關(guān)定位方法可以準(zhǔn)確定位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的位置。
　為了使開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)每次轉(zhuǎn)動(dòng)到某個(gè)通道都能停留在相同的觸點(diǎn)位置，同時(shí)為了便于觸點(diǎn)定位，本步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)為只朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。在掃描開(kāi)關(guān)開(kāi)機(jī)初始化、開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)設(shè)定為第一通道以及轉(zhuǎn)過(guò)第一通道時(shí)，步進(jìn)電機(jī)重新定位。定位的方法是：在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)檢測(cè)三聯(lián)波段開(kāi)關(guān)的檢測(cè)開(kāi)關(guān)聯(lián)S1，當(dāng)檢測(cè)到第一通道為低電平時(shí)，說(shuō)明開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入第一通道觸點(diǎn)接觸區(qū)，此時(shí)再控制開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)接觸區(qū)，使開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)正好停止在接觸區(qū)正中間來(lái)完成定位控制。
　完成定位控制后，在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，只需要連續(xù)發(fā)出83個(gè)脈沖即可前進(jìn)到下一個(gè)通道。這樣轉(zhuǎn)動(dòng)誤差只在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)積累，不會(huì)影響下一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期。在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)在各個(gè)通道觸點(diǎn)的接觸位置可保持不變。
　為了減少觸點(diǎn)摩擦發(fā)熱的影響，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 r/s，同時(shí)還考慮了步進(jìn)電機(jī)的升降速曲線(xiàn)設(shè)計(jì)。
2.3 通信指令集與工作流程
　低熱電勢(shì)程控掃描開(kāi)關(guān)使用RS232串口與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制掃描開(kāi)關(guān)通道選擇。按照SCPI可程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令集[5]的要求規(guī)范，設(shè)計(jì)了如表1所示的指令集(其中小寫(xiě)字母主要用于助記，實(shí)際使用中可以省略)。

　可以使用通道選擇旋鈕手動(dòng)控制掃描開(kāi)關(guān)，選擇旋鈕的位置同時(shí)指示了所選擇的通道，此時(shí)的使用方法與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)一致。與此同時(shí)，也可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令來(lái)選擇通道，并查詢(xún)當(dāng)前通道。圖3是工作流程圖(為了清晰起見(jiàn)，不含故障判斷及LED狀態(tài)顯示等部分)。

　為了快速響應(yīng)上位機(jī)的指令，指令的應(yīng)答在UART接收中斷中處理，中斷設(shè)定為每收到一個(gè)字符就觸發(fā)一次，接收的指令字符存入U(xiǎn)ART接收緩沖區(qū)(一個(gè)有雙指針的循環(huán)隊(duì)列)。在收到指令終結(jié)符(設(shè)定為換行符)時(shí)，從UART接收緩沖區(qū)提取完整指令解碼，根據(jù)指令類(lèi)型進(jìn)行不同操作，如果需要回復(fù)指令，也在中斷中完成編碼及發(fā)送。
　程序主循環(huán)過(guò)程采用依次判斷處理的方法。系統(tǒng)設(shè)定了若干全局變量用來(lái)保存相關(guān)設(shè)定值，上位機(jī)的控制指令通過(guò)這些全局變量在UART中斷中與主循環(huán)過(guò)程交換信息。
　本文設(shè)計(jì)的低熱電勢(shì)程控掃描開(kāi)關(guān)既可手動(dòng)控制，也可由上位機(jī)通過(guò)串口控制。經(jīng)測(cè)量，各觸點(diǎn)熱電勢(shì)小于0.4 μV，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定的要求。通過(guò)增加12路波段開(kāi)關(guān)的并聯(lián)，該掃描開(kāi)關(guān)也可用于標(biāo)準(zhǔn)熱電阻的檢定。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。在實(shí)際應(yīng)用中，作為自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)部分，配合定點(diǎn)爐的使用，可同時(shí)完成多只標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的自動(dòng)檢定工作。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶自動(dòng)檢定的實(shí)現(xiàn)提高了生產(chǎn)率，降低了檢定人員的工作強(qiáng)度。
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