沥青软化点自动检测装置的设计
2008-08-20
作者：纪 钢
摘 要： 介绍了一种沥青软化点自动检测装置" title="检测装置">检测装置的设计方法。以国家标准GB/T 4507-84《石油沥青软化点测定法》为依据并结合实际操作的具体情况，提出了自动检测装置的总体设计方案。主要介绍了温度检测通道、光电检测通道和键盘显示等电路的工作原理及部分程序设计思想。
关键词： 沥青 自动检测 软化点
石油沥青是国家基本建设的重要原材料之一，它广泛地应用在高速公路路面建设、房屋防水防潮、绝缘防腐等防护层工程中。沥青质量的好坏直接影响工程项目的质量和服务年限。对于沥青生产单位和以沥青为原料的施工单位来说，沥青软化点的检测是保证沥青质量的重要指标之一。所以，沥青生产单位和使用沥青的施工单位都急需一种能自动精确检测沥青软化点的装置，来保证沥青生产和工程质量。沥青的软化点是试样在规定检测条件下因受热而下坠到25.4mm时的温度。不同的工程项目要求的沥青软化点不同，炼油厂需要根据不同工程项目控制生产工艺过程，使其软化点限制在规定要求的范围内；而工程施工单位则需要根据工程的要求检验沥青的软化点以确保工程质量。国外自动检测装置比较少，而且价格很贵，对工作环境要求较高、只能在研究部门实验室中使用，不适合沥青生产单位和施工单位使用。本文介绍一种能精确和自动检测沥青软化点且适合现场使用的检测装置。
1 自动检测装置的总体设计
根据国家标准《石油沥青软化点测定法》中提出的要求，沥青软化点自动检测装置必须满足以下几方面的要求：(1)对烧杯内的水或甘油加热温度应该保持每分钟上升5±0.5℃，因此需要采用恒功率控制加热器；(2)沥青软化点不高于80℃的试样用水作为加热媒体，高于80℃的试样用甘油作为加热媒体，因此需要对两种加热媒体的加热情况进行区分；(3)加热前，水温需要保持在5±0.5℃或甘油温度保持在32±1℃，且恒温15分钟；(4)为自动检测试样受热下坠达到25.4mm，需要采用光电技术检测沥青软化点，以消除人眼观测误差。
根据上述四个方面的要求，采用单片机作为核心器件组成沥青软化点自动检测装置，这样可以使沥青软化点的自动检测达到“智能”化。下面介绍一下软化点自动检测装置的总体设计。
图1是软化点检测系统组成原理框图。从图1可以看出，沥青软化点检测系统是由单片机、温度传感器、光电传感器、显示部分、键盘、微型打印机和串行口等组成。单片机是检测系统的核心，负责数据的采集、处理和整个系统的协调工作；温度传感器把烧杯中的水或甘油温度传送到A/D" title="A/D">A/D转换器，转换后送到单片机进行数据处理；光电传感器把被检测的沥青试样受热后下坠达到25.4mm的信息通过整形电路送入单片机，以便确定沥青软化点；显示部分把系统运行和操作过程中的信息显示给操作人员，使其能及时了解软化点检测装置的运行情况；键盘是人机对话的必要工具，用它可以在软化点检测装置运行前输入必要的信息；微型打印机用来输出软化点检测结果等相关数据；蜂鸣器用于报警；串行口是为单片机与PC机交换数据而预留的。
2 单片机最小系统的设计
根据沥青软化点检测的技术要求，设计了以单片机为核心的单片机最小系统。下面从以下几个主要方面做一下介绍。
2.1 温度检测通道
图2所示是温度检测通道电路原理图[1]，它由恒流源、两级放大和A/D转换三部分组成。恒流源由U1、5V稳压管和三极管Q等组成，在三极管Q的发射极输出一个2mA的恒定电流。两级放大器由U2和U3等元器件组成。Rt100是温度传感器，它两端的双线表示温度传感器是通过导线从烧杯引到印刷电路板上；U2和U3之间的R7、R8、C1和C2组成一个工频滤波器，用以消除工频信号的干扰。由于温度的变化相对较慢，所以采用LM331 V/F转换器，用于A/D转换[1]。来自放大器的温度信号通过R11从LM331的7脚输入，再从它的3脚输出一个频率与温度成正比的脉冲信号，然后输入到单片机的定时器/计数器1的输入端T1。单片机定时地从定时器/计数器1取计数值就可以完成A/D转换。
2.2 光电检测通道
图3所示是光电检测通道电路原理图[2]。它由光电管" title="光电管">光电管D1、电压比较器LM311、延时电路和触发器组成。光电管用来检测沥青试样下坠状态，发光源和光电管分别放在烧杯的前后两面。当沥青试样受热下坠达25.4mm时，沥青试样正好遮住发光源射入到光电管的光线，这时光电管两端呈高阻状态，光电管D1的阴极电位升高，电压比较器LM311反相输入端的电位高于同相输入端的电位，比较器的输出端输出低电位。该低电位输入到由LM555组成的延时电路并从延时电路输出。而且，电压比较器LM311和延时电路LM555两部分还组成整形电路。把CD4013双D触发器的引脚3、5接地，CD4013便接成基本RS触发器。LM555的3脚输出的信号送到CD4013的6脚，触发CD4013的一个D触发器使CD4013的2脚输出信号送到单片机的外部中断INT1端。一般情况下，检测装置设计两个沥青试样同时检测。图3是一路沥青试样的检测电路" title="检测电路">检测电路，另一路检测电路与该路相同。不同的是，另一路由CD4013另一个D触发器组成基本RS触发器，其输出是送到单片机的外部中断INT0端。
2.3 键盘与显示接口电路
图4所示是键盘与显示接口电路原理图[3]，主要由HD7279A、16个按钮和8个LED数码管组成。16个按钮和8个LED数码管用于人机对话。HD7279A是一个具有串行接口、可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64个键的键盘矩阵，并含有去抖动电路。它的内部有译码器，可以直接接收十六进制数码。引脚8（DATA）为串行数据输入/输出端，当执行接收指令时，该引脚为输入端，当读取键盘数据时，该引脚在“读”指令最后一个时钟的下降沿变为输出端，与单片机的P1.1连接；引脚9（KEY）为按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平，与单片机的P1.2连接；引脚6（CS）为片选输入端，该引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据，与单片机的P1.3连接；引脚7（CLK）为同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，该引脚电平上升沿表示数据有效，与单片机的P1.4连接；引脚10～16（SG～SA）为段g～a驱动输出；引脚17（DP）为小数点驱动输出；引脚18～25（D0～D7）为数字0～7位驱动输出；引脚26（CLKO）为振荡器输出端；引脚27（RC）为RC振荡器连接端；引脚28（RESET）为复位端。详细的应用方法请参见参考文献[1]。
从上述介绍可以看出沥青软化点自动检测装置的主要硬件分配为：T0为整个系统的定时器；T1为由LM331组成的串行A/D转换器的计数器；INT0和INT1为两个沥青试样下坠达到25.4mm时的中断输入；p1.0～p1.4分别接到HD7279A的DATA、KEY、CS和CLK端。
3 软件设计
沥青软化点自动检测系统的硬件设计好后，就可以进行软件设计[4]。下面通过几个主要程序来说明整个检测系统的设计思想。
3.1 主程序的设计
首先设好堆栈和关中断，清标志位和设优先级，并设T0和T1的时间常数和工作方式，然后清时间计数单元，测试HD7279A，开中断，最后进入循环体。在循环体中主要执行键值处理子程序" title="子程序">子程序和显示子程序。
3.2 温度检测子程序的设计
温度检测电路是将连续温度的变化转换成频率的变化，转换后的频率变化由LM311的引脚3送入到单片机的T1计数器中。T1的计数值则是温度值。单片机的T0设为定时器，通过定时器每1秒采样一次。
3.3 沥青试样受热下坠检测子程序的设计
两个沥青试样分别由单片机的INT0和INT1端检测。设一个标志位iball记录试样是否有下坠的情况，iball=0为无试样下坠，iball=1为有试样下坠。再设两个试样分别为Rball和Lball。当检测装置加热达到沥青试样的软化点温度时，试样下坠到25.4mm，使得光源被遮住，光电管的电阻升高，通过光电检测电路触发INT0（INT1）进入中断服务子程序。中断服务子程序首先保护现场，关中断INT0（INT1），把当前的温度值送入到显示缓冲区；然后检测iball是否为1，如iball=0，则iball置1，如iball=1，则停止T1计数；在这之后调用显示子程序显示沥青软化点温度值。
3.4 键盘与显示子程序的设计
该子程序定义功能和数字键盘，通过HD7279A完成信息输入和显示。
以上提出了沥青软化点自动检测装置的总体设计方案，并且介绍了该装置的设计思路。经过对各部分电路的调试以及对组装起的一台样机进行总体调试，证明基本达到设计所提出来的要求。
参考文献
1陈粤初.单片机应用系统设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，1991:160~162
2康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1980
3纪 钢.HD7279A键盘显示驱动芯片及应用[J].仪表技术，2001（3）:16~17
4马忠梅.单片机C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997