嵌入式基于C8051F單片機的氣流儀

引 言

　　本課題研究的棉花氣流儀是根據GB6468－1992棉纖維"馬克隆值"測試方法的有關規定，結合目前的微電腦監控系統技術，采用單片機C8051F，具有測試速度快、容易維修、費用低、效率高等特點。

　　馬克隆值為在特定條件下一團棉花的透氣性的度量。實踐經驗表明，馬克隆值與紡紗有著密切的關系，馬克隆值過高或過低，其棉纖維可紡性能都較差，只有馬克隆值適中的棉纖維才能獲得較全面的紡紗經濟效益。

　　1氣流儀的基本原理

　　本儀器是氣流式的馬克隆值測定儀。馬克隆氣流儀的基本原理是以一定壓力的氣流通過固定容積內的定質量的纖維塞，由于纖維的表面積不同，對氣流的阻力大小不同，在纖維塞兩端產生的壓力差或流量大小也不同。表面積小的纖維，對氣流的阻力小流量大(或壓差小)；反之，流量大(或壓差大)。因此可根據流量或壓力差的變化，指示出纖維的透氣性。試樣的質量和體積對儀器是常數，透氣性的變化可用馬克隆值單位來標定。

　　式中：A為試樣筒內截面積；L為試樣筒高度；△P為試樣筒兩端壓力差；S為纖維比表面積；μ為空氣粘滯系數；ε為試樣筒內纖維的空隙率(纖維集合體內空間體積與集合體總體積之)；K為常數。

　　從公式可以看出：纖維的表面積越小(即纖維越粗)，通過的流量越大，表示纖維的透氣性越好，所測的馬克隆值越高，表明纖維的成熟度越好。因此，一般情況下，纖維成熟度越好，其馬克隆值也越高，即兩者是正相關。 2 硬件設計

　　根據氣流儀的原理，我們采用C8051F023單片機為核心控制。該單片機內核為高速8051微控制器。

儀器傳感器有兩個，分別為氣壓傳感器和稱重傳感器。據本儀器的設計精度要求，選擇微重傳感器和微壓傳感器。硬件框圖如圖1所示。

　　儀器工作過程：在電子稱上稱8 g棉樣后均勻地放入試樣筒內，形成固定密度的纖維塞。氣泵向儲氣筒充氣產生恒壓，恒壓氣流經氣阻(試樣筒內的纖維塞)流入儀器，在試樣筒的兩端形成了氣壓差。由于不同馬克隆值的棉纖維對氣流的阻力不同，因此形成的壓差也不同，氣壓傳感器將此壓差信號轉換成電量，單片機將數據處理后，顯示出馬克隆值及馬克隆值等級，同時還能完成平均值的運算。

　　3軟件設計

　　儀器控制程序設計是按照結構化的程序設計方法設計的，將整個程序細分為若干子程序，以方便調試與檢查。

　　儀器開機上電后，單片機首先查詢儀器是否需要砝碼校準，如果需要則進行砝碼校準，否則判斷是否馬值校準，如果是進行馬值校準，否則判斷是否稱重。當稱量了8 g的棉花后，程序判斷P1.7口是否為低電平，如果是則進行馬值測定，否則仍進入稱重子程序。由于我們的儀器只能測量馬值范圍為2.5～7.0的馬值，因此得到馬值時首先判斷馬值是否滿度。當測量值低于1 V時，也就是馬值低于2.5時，認為馬值滿度，并顯示E000，若馬值沒有滿度則依據經驗公式計算馬值真值。最后進行馬值等級的判斷，依據國標的規定，馬值范圍在3.7～4.2的為A級，3.5～3.6，4.3～4.9的為B級，3.4以下或5.0以上為C級。判斷結束后，單片機調用顯示子程序，顯示出被側棉樣的馬值及相應的等級。

????? 圖2是主程序流程圖。

　　整個軟件子程序包括砝碼校準子程序，馬值校準子程序，稱重子程序，馬值測量子程序，顯示子程序以及一些算法子程序等。

　　通過對傳感器及其放大電路的設計，我們知道當氣壓為零點時，電壓為0.500 V，當氣壓滿度為400 Pa時，電壓為2.46 V，曲線如圖3所示。

　　從考慮精度的要求出發，我們選擇A／D轉換為10位，參考電壓為2.5 V，當輸入模擬量為2.5 V時，轉換成數字量為210=1 024(800H)，根據硬件電路，當試樣筒沒有放入棉花時，氣流通過后測得的氣壓差0，送入單片機的電壓為0.500 V，即由方程：

　　換算成對應的數字量為0CDH，根據式(4)和表1的數據可以算出馬克隆值和數字量的一個對應表，將此表輸入程序中作為馬值計算的基準。

　由國標規定的標準棉樣的馬值，通過實驗我們找出了其對應的電壓值，發現它們不是線性關系，也不能用-個簡單的數學表達式表示，因此采用分段處理的方法表示出他們的邏輯關系。并依據這個規律進行數學建模。具體流程圖如圖4所示。

　　上述馬值真值沒有考慮校準偏差的情況，因此應進行馬值補償。首先判斷該馬值是低、中、高中的哪一個等級，然后從EEPROM存儲器中調出在馬值校準中得到的偏差，經過計算后得到同實際值相吻合的馬值。

　　4實驗測試

　　根據國標GB6468-1992棉纖維"馬克隆值"測試方法的有關規定對所設計的儀器進行校驗。

用馬克隆值分別為A、B、C級的不同棉樣，在室溫21℃左右的環境下，所測得的數據誤差不超過±0.1。儀器精度完全符合要求。

　　5結束語

　　本儀器在設計中緊密結合我國國情，具有人機界面好、方便、快捷、體積小、性價比好的特點。所設計的儀器采用單片控制，使用電子稱重，氣壓傳感器測定馬值，且具有標準棉樣或標準塞自動校正及馬值自動分級功能，能夠做到智能剔除異常數據，是測定馬克隆值的一代新產品。