摘 要： 介紹了一種低熱電勢程控掃描開關的設計。單片機ATmega8515通過步進電機控制12路波段開關的轉動，實現(xiàn)標準熱電偶的測量通道切換功能。該掃描開關可手動操作，也可程控操作，已成功應用于全自動溫度校準系統(tǒng)。測試結果表明，該掃描開關極大降低了測量通道的熱電勢，在計量檢定領域具有良好的應用前景。
關鍵詞： 掃描開關；ATmega8515；熱電勢；檢定
根據標準熱電偶檢定規(guī)程[1]的要求，在檢定過程中使用的轉換開關的寄生電勢應不大于0.4 μV。為了滿足自動檢定的需要，可通過計算機控制的程控掃描開關已逐漸成為應用趨勢。
程控掃描開關的核心是多路切換開關，一般使用銀觸點低熱電勢波段開關。楊平[2]等人探討了使用通用繼電器代替低熱電勢切換開關的可能性，但認為常規(guī)繼電器由于接點電動勢過大，尚無法取代低熱電勢切換開關；王磊[3]等人研制了用于標準電池檢定的程控開關，使用輕壓力旋轉開關作為開關部件，其電熱電勢低于20 nV；易曉林[4]使用恒流源法檢測低熱電勢掃描開關的接觸熱電勢，認為掃描開關點的篩選及定期檢測是有必要的。
本文設計的低熱電勢程控掃描開關不使用常規(guī)繼電器完成開關切換，而是通過接觸熱電勢檢測篩選，其使用的12路輕壓力旋轉開關完全符合標準熱電偶檢定的要求。該掃描開關具有接觸熱電勢低、性能穩(wěn)定、體積小、重量輕、自動與手動兩用的特點，與自動熱電偶校準系統(tǒng)軟件配合，可以同時完成10只一等標準熱電偶或11只二等標準熱電偶的自動檢定。
1 系統(tǒng)結構
圖1是低熱電勢程控掃描開關的結構示意圖，其外觀及手動使用方法與常規(guī)手動轉換開關類似。
使用通道選擇旋鈕可以手動選擇測量通道，一共有12路測量通道，組成2×12的切換開關。測量通道的接線端子由純銅制成，與三聯(lián)波段開關通過粗銅線直接相連，以降低接觸熱電勢。在三聯(lián)12路波段開關中，有一聯(lián)波段開關專門用于開關的定位檢測。三聯(lián)波段開關經過柔性聯(lián)軸器與步進電機相連，以消除可能的非同軸傳動帶來的影響。步進電機的特點是低轉速時扭矩大，適合于克服波段開關轉動的靜摩擦力。步進電機由步進電機驅動器控制，單片機每發(fā)送一個脈沖，步進電機就轉過一個細分角度。環(huán)形變壓器將220 V交流電壓經全橋堆整流后，為步進電機提供24 V直流電壓。
本開關使用的步進電機是北京斯達微步控制技術有限公司生產的17HS001型兩相步進電機，其最大靜轉矩為0.15 Nm，步距角為1.8°，空載啟動轉速為390 r/min。步進電機驅動器為配套的SH-2H042型驅動器，驅動器電壓為直流24 V，電流為1.6 A，細分數為5。經實際使用，可達到控制要求。
本開關的步進電機、驅動器及環(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關部分隔開，以減輕對三聯(lián)波段開關的溫度影響。三聯(lián)波段開關被單獨隔離在具有散熱孔的電磁屏蔽空間內。
2 設計實現(xiàn)
2.1 控制電路
低熱電勢程控掃描開關的控制電路如圖2所示。MCU使用Atmel公司的8 bit AVR單片機ATmega8515。圖2包含了除電源及RS232之外的所有電路。P1是用于MCU在線下載程序的Atmel標準IDC6接頭；R1、C1組成開機復位延遲電路；使用外部4.915 2 MHz晶體的目的是準確配合9 600 b/s串口通信速率。
ATmega8515的PD2數字I/O口配置為輸出，發(fā)送脈沖以控制步進電機轉動；S1是三聯(lián)12路波段開關中用于開關定位的檢測開關聯(lián)，由MCU的PA及部分PC數字I/O口檢測。這些數字I/O口配置為開啟上拉電阻的輸入口，這樣可節(jié)省檢測所需的上拉電阻；S2是手動通道選擇旋鈕，是一個普通的12路波段開關，用于選擇及指示當前測量通道，其檢測方法與S1相同。ATmega8515可以直接驅動發(fā)光二極管，4個發(fā)光二極管分別用來指示系統(tǒng)狀態(tài)：LED Running點亮表示步進電機正在轉動中；LED Ready點亮表示到達開關位置；LED Error點亮表示系統(tǒng)出錯；LED Remote點亮表示掃描開關處于計算機遙控狀態(tài)。
從圖2中可以看到，系統(tǒng)使用了ATmega8515大多數端口，其功能、速度可滿足控制需要，符合嵌入式設計夠用、好用的思想。
2.2 波段開關的步進電機控制
低熱電勢程控掃描開關控制的核心是如何使步進電機準確轉動到相應開關觸點位置。
根據所用步進電機及驅動器參數，步進電機的步距角為1.8°，經過細分數為5的驅動器細分控制后，單個控制脈沖的轉動角為0.36°。對于一個通道切換過程，需要連續(xù)發(fā)出83.333…個脈沖后才能達到轉動30°的要求。因為步進電機的最小轉動角與通道之間的角度不能滿足整倍數關系，會導致轉動角度偏差。例如，如果一個通道發(fā)出83個脈沖，轉動一圈帶來的誤差為1.44°。由此可見，選擇帶有細分功能的驅動器可以提高控制精度。如果使用步距角為1.5°的步進電機，可以只發(fā)送20個脈沖就使其轉動30°，從而消除轉動誤差。
步進電機可以準確地控制轉動角度，但在控制脈沖因干擾等原因出錯時，其轉動角度就無法確定了。同時，步進電機的轉動導致的積累誤差也會影響轉動角度的確定。而本文設計的波段開關定位方法可以準確定位開關觸點的位置。
為了使開關觸點每次轉動到某個通道都能停留在相同的觸點位置，同時為了便于觸點定位，本步進電機設計為只朝一個方向旋轉。在掃描開關開機初始化、開關觸點設定為第一通道以及轉過第一通道時，步進電機重新定位。定位的方法是：在步進電機轉動時，同時檢測三聯(lián)波段開關的檢測開關聯(lián)S1，當檢測到第一通道為低電平時，說明開關觸點已經進入第一通道觸點接觸區(qū)，此時再控制開關觸點轉過半個接觸區(qū)，使開關觸點正好停止在接觸區(qū)正中間來完成定位控制。
完成定位控制后，在一個轉動周期內，只需要連續(xù)發(fā)出83個脈沖即可前進到下一個通道。這樣轉動誤差只在一個轉動周期內積累，不會影響下一個轉動周期。在一個轉動周期內，開關觸點在各個通道觸點的接觸位置可保持不變。
為了減少觸點摩擦發(fā)熱的影響，步進電機轉速設定為1 r/s，同時還考慮了步進電機的升降速曲線設計。
2.3 通信指令集與工作流程
低熱電勢程控掃描開關使用RS232串口與計算機相連，計算機發(fā)出指令控制掃描開關通道選擇。按照SCPI可程控儀器標準命令集[5]的要求規(guī)范，設計了如表1所示的指令集(其中小寫字母主要用于助記，實際使用中可以省略)。
可以使用通道選擇旋鈕手動控制掃描開關，選擇旋鈕的位置同時指示了所選擇的通道，此時的使用方法與傳統(tǒng)轉換開關一致。與此同時，也可以通過上位機發(fā)送指令來選擇通道，并查詢當前通道。圖3是工作流程圖(為了清晰起見，不含故障判斷及LED狀態(tài)顯示等部分)。
為了快速響應上位機的指令，指令的應答在UART接收中斷中處理，中斷設定為每收到一個字符就觸發(fā)一次，接收的指令字符存入UART接收緩沖區(qū)(一個有雙指針的循環(huán)隊列)。在收到指令終結符(設定為換行符)時，從UART接收緩沖區(qū)提取完整指令解碼，根據指令類型進行不同操作，如果需要回復指令，也在中斷中完成編碼及發(fā)送。
程序主循環(huán)過程采用依次判斷處理的方法。系統(tǒng)設定了若干全局變量用來保存相關設定值，上位機的控制指令通過這些全局變量在UART中斷中與主循環(huán)過程交換信息。
本文設計的低熱電勢程控掃描開關既可手動控制，也可由上位機通過串口控制。經測量，各觸點熱電勢小于0.4 μV，達到了標準熱電偶檢定的要求。通過增加12路波段開關的并聯(lián)，該掃描開關也可用于標準熱電阻的檢定。該產品結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。在實際應用中，作為自動標準熱電偶檢定系統(tǒng)的轉換開關部分，配合定點爐的使用，可同時完成多只標準熱電偶的自動檢定工作。標準熱電偶自動檢定的實現(xiàn)提高了生產率，降低了檢定人員的工作強度。
參考文獻
[1] JJG75-1995.標準鉑銠10-鉑熱電偶[S].北京：國家質量技術監(jiān)督局，1995.
[2] 楊平，許兆龍，何毅，等.通用繼電器取代低熱電勢切換開關的可行性[J].儀器儀表學報，1997(18)：644-660.
[3] 王磊，劉瑞珉.多路低熱電勢程控開關的研制[J].電測與儀表，2004，41：44-46.
[4] 易曉林.掃描開關檢測方法探討[J].宇航計測技術， 2006(26)：68-72.
[5] SCPI Consortium. Standard commands for programmable instruments manual version 1990[S]. 1990.