我國是產(chǎn)煤大國，而衡量煤炭質(zhì)量的最重要指標(biāo)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(dòng)力煤計(jì)價(jià)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(cè)定，其測(cè)量精度和效率直接影響著煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)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(jì)進(jìn)行人工測(cè)定，操作繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力[2]，并且容易產(chǎn)生偶然誤差和計(jì)算錯(cuò)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(yán)格水套密封包圍工藝結(jié)構(gòu)，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(diào)理電路，利用分段PID控制原理設(shè)計(jì)智能量熱儀的外、內(nèi)筒水溫自動(dòng)跟蹤控制算法；采用觸摸屏技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示內(nèi)外筒水溫。測(cè)試結(jié)果表明，該絕熱式智能量熱儀的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。



2.3 ADC轉(zhuǎn)換電路
    考慮本系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化非常靈敏，微機(jī)控制單元接收和處理PT1000熱電偶感測(cè)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(zhuǎn)換芯片CS5534設(shè)計(jì)智能量熱儀的4路溫度數(shù)據(jù)采集ADC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，該芯片采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測(cè)量放大器，得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，精度高，動(dòng)態(tài)特性寬?？删幊淘鲆娣糯笃骺墒狗糯蟊稊?shù)從1~32進(jìn)行設(shè)定(以2倍步長(zhǎng)增加)， 大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。該A/D轉(zhuǎn)換器還有一個(gè)靈活而簡(jiǎn)便的同步串行接口，使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以串行方式輸出，并與SPI、Microwire兼容[4]，串行時(shí)鐘輸入備有一個(gè)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)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(cè)、顯示量熱儀的工作狀態(tài)，控制量熱儀的自動(dòng)進(jìn)水和出水，控制外筒水溫度實(shí)時(shí)跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化，精確控制壓縮機(jī)制冷和加熱棒加熱動(dòng)作,實(shí)時(shí)控制量熱儀的工作狀態(tài),檢測(cè)燃燒物質(zhì)的燃燒狀態(tài),控制攪拌電機(jī)工作等功能,并且能夠與觸摸屏及A/D裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信,顯示通信狀態(tài)，與打印機(jī)實(shí)時(shí)通信完成試驗(yàn)結(jié)果的打印。
    本文控制器采用具有ARM核的STM32F103單片機(jī)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(dá)72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)3種省電模式。內(nèi)括12 bit的ADC、DMA控制器;支持定時(shí)器、ADC、DAC、SPI、I2C、UART等外設(shè)；提供欠壓復(fù)位、ECC、MPU、侵入監(jiān)測(cè)、雙看門狗、32 bit CRC、I/O端口保護(hù)和JTAG熔斷器等安全功能。綜合各項(xiàng)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(diǎn)檢測(cè)裝置接收觸摸信息，并將其轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)送給CPU，同時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。觸摸屏系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報(bào)警等功能，并能將內(nèi)外筒水溫度狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)畫顯示。
3  軟件設(shè)計(jì)
3.1溫度控制算法設(shè)計(jì)
    溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、大滯后系統(tǒng)，絕熱式智能量熱儀的關(guān)鍵問題是：煤樣在燃燒過程中發(fā)出的熱量導(dǎo)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(dǎo)，需要實(shí)現(xiàn)外筒水溫度實(shí)時(shí)跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化。鑒于此，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了分段PID控制算法，PID參數(shù)可隨溫區(qū)的不同自動(dòng)調(diào)整到最佳值。整個(gè)測(cè)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(qū)動(dòng)該加熱棒與制冷壓縮機(jī)工作狀態(tài)平衡,其平衡溫度點(diǎn)由系統(tǒng)工作需要設(shè)定；在煤樣燃燒啟動(dòng)接通大加熱棒時(shí)， 通過PID控制算法參數(shù)的調(diào)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(cè)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(shè)計(jì)
    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(shí)現(xiàn)對(duì)A/D數(shù)據(jù)采集通道的選擇、初始化操作、功能與時(shí)鐘設(shè)置、A/D通道的讀寫操作、采集數(shù)據(jù)計(jì)算等。本設(shè)計(jì)采用STM32操作系統(tǒng)中的SPI函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，具體程序代碼略。
3.3 STM32與MT8000觸摸屏的通信設(shè)計(jì)
    MT8000觸摸屏采用Modbus協(xié)議和控制器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。Modbus通信協(xié)議只能識(shí)別按地址發(fā)送的消息，這就要求得知每個(gè)控制器的設(shè)備地址，才能執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。如果需要回應(yīng)，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(shè)計(jì)
    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(jìn)行串口通信，具體程序從略。
4 試驗(yàn)
    儀器試驗(yàn)具體操作過程為：
    (1)水槽加水，儀器上電，加熱棒或者壓縮機(jī)自動(dòng)工作調(diào)整水槽的水溫度值，使水溫和環(huán)境溫度平衡(此時(shí)內(nèi)筒底部的閥門處于關(guān)閉狀態(tài))，外筒和水槽是連通的。
    (2)當(dāng)水槽、外筒水溫和環(huán)境溫度達(dá)到一致時(shí)，打開內(nèi)筒底部的閥門開始進(jìn)水，當(dāng)水位升至內(nèi)筒壁水位計(jì)時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉，內(nèi)筒水和外筒水環(huán)境斷開。此時(shí)為了滿足外筒水溫高于內(nèi)筒水溫1~1.5 ℃的國標(biāo)要求，加熱棒開始加熱工作，并檢測(cè)內(nèi)外筒水溫是否達(dá)到一致，若達(dá)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(jī)的共同作用下始終沿著內(nèi)筒水溫度改變。
    (4)攪拌5 min結(jié)束時(shí)，氧彈倉中煤樣點(diǎn)火，內(nèi)筒水溫度急劇上升，同時(shí)檢測(cè)到內(nèi)筒水溫度上升信號(hào)，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(hào)立刻被外筒水溫度傳感探頭檢測(cè)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(shí)外筒水溫度向內(nèi)筒水溫度平衡，達(dá)到兩者溫度一致時(shí),攪拌5 min使內(nèi)筒水溫度分布充分均勻，氧彈試樣點(diǎn)火后內(nèi)筒水溫度開始上升，幾乎同時(shí)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(duì)于絕熱式儀器設(shè)計(jì)來說，0.5 ℃溫度差導(dǎo)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(shí)，外筒水溫度基本以小于0.1 ℃的超調(diào)量圍繞內(nèi)筒水溫度變化，直至試驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jié)構(gòu)、ARM嵌入式和觸摸屏技術(shù)；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(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和控制精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高，且操作方便，符合市場(chǎng)需求。
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