我國是產煤大國，而衡量煤炭質量的最重要指標之一是其燃燒發熱量。目前國內普遍采用以發熱量作為動力煤計價的主要依據[1]。由于煤炭的發熱量主要是利用量熱儀來測定，其測量精度和效率直接影響著煤炭企業的經濟效益，同時也在節能減排、環境保護等方面發揮著極其重要的作用。

    傳統的煤發熱量分析方法是利用氧彈熱量計進行人工測定，操作繁瑣、費時費力[2]，并且容易產生偶然誤差和計算錯誤。鑒于此，本文采用ARM嵌入式系統開發了一種新型絕熱式智能量熱儀，該系統以ARM微處理器為主控制單元，采用嚴格水套密封包圍工藝結構，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據采集調理電路，利用分段PID控制原理設計智能量熱儀的外、內筒水溫自動跟蹤控制算法；采用觸摸屏技術實時動態地顯示內外筒水溫。測試結果表明，該絕熱式智能量熱儀的性能指標滿足設計要求。



2.3 ADC轉換電路
    考慮本系統輸入信號的變化非常靈敏，微機控制單元接收和處理PT1000熱電偶感測的溫度數據采集速度較慢，及極低噪聲的要求，本文采用一種新型高精度24位ADC轉換芯片CS5534設計智能量熱儀的4路溫度數據采集ADC轉換器電路。
    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轉換器，該芯片采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩定測量放大器，得到高達24位分辨率的輸出結果，精度高，動態特性寬?？删幊淘鲆娣糯笃骺墒狗糯蟊稊祻?~32進行設定(以2倍步長增加)， 大大提高了系統的動態特性。該A/D轉換器還有一個靈活而簡便的同步串行接口，使轉換數據以串行方式輸出，并與SPI、Microwire兼容[4]，串行時鐘輸入備有一個施密特觸發器。采用串行接口與中央處理器芯片通信工作，接口電路設計簡單、易于擴展。
2.4 ARM控制器
    控制器主要控制4路PT1000溫度傳感器采集內外筒水溫度數據，檢測、顯示量熱儀的工作狀態，控制量熱儀的自動進水和出水，控制外筒水溫度實時跟蹤內筒水溫度的變化，精確控制壓縮機制冷和加熱棒加熱動作,實時控制量熱儀的工作狀態,檢測燃燒物質的燃燒狀態,控制攪拌電機工作等功能,并且能夠與觸摸屏及A/D裝置進行實時數據通信,顯示通信狀態，與打印機實時通信完成試驗結果的打印。
    本文控制器采用具有ARM核的STM32F103單片機作為主控芯片。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72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。具有睡眠、停機和待機3種省電模式。內括12 bit的ADC、DMA控制器;支持定時器、ADC、DAC、SPI、I2C、UART等外設；提供欠壓復位、ECC、MPU、侵入監測、雙看門狗、32 bit CRC、I/O端口保護和JTAG熔斷器等安全功能。綜合各項參數，STM32是最適合本系統的微處理器之一。
2.5 觸摸屏
    觸摸屏的作用是通過觸摸點檢測裝置接收觸摸信息，并將其轉換成觸點坐標送給CPU，同時接收、執行CPU發來的命令。本系統采用威綸通公司的MT8000觸摸屏，它與控制器采用Modbus協議進行數據通信。觸摸屏系統采用組態軟件設計，具有實時數據顯示與存儲、歷史數據查詢、故障報警等功能，并能將內外筒水溫度狀態進行動畫顯示。
3  軟件設計
3.1溫度控制算法設計
    溫度控制系統是一個大慣性、大滯后系統，絕熱式智能量熱儀的關鍵問題是：煤樣在燃燒過程中發出的熱量導致內筒水溫度急劇升高。為杜絕內筒水熱量與外筒間的熱傳導，需要實現外筒水溫度實時跟蹤內筒水溫度的變化。鑒于此，在本系統中設計了分段PID控制算法，PID參數可隨溫區的不同自動調整到最佳值。整個測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控制算法驅動該加熱棒與制冷壓縮機工作狀態平衡,其平衡溫度點由系統工作需要設定；在煤樣燃燒啟動接通大加熱棒時， 通過PID控制算法參數的調節作用控制外筒水溫度, 并迅速跟蹤內筒水溫度的變化，從而消除內外筒之間水的熱交換,保證內筒中PT1000熱電偶測得的水溫全部由煤樣燃燒引起。
3.2 STM32與A/D的數據傳送控制設計
    本系統需要完成四路PT1000溫度傳感器的數據采集與傳送控制，STM32需要實現對A/D數據采集通道的選擇、初始化操作、功能與時鐘設置、A/D通道的讀寫操作、采集數據計算等。本設計采用STM32操作系統中的SPI函數來實現，具體程序代碼略。
3.3 STM32與MT8000觸摸屏的通信設計
    MT8000觸摸屏采用Modbus協議和控制器單元進行數據通信。Modbus通信協議只能識別按地址發送的消息，這就要求得知每個控制器的設備地址，才能執行相應的控制動作。如果需要回應，則控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出，具體程序從略。
3.4 STM32的串口通信設計
    STM32控制芯片支持UART串口通信、I2C通信和SPI串行通信協議，本系統采用RS-323進行串口通信，具體程序從略。
4 試驗
    儀器試驗具體操作過程為：
    (1)水槽加水，儀器上電，加熱棒或者壓縮機自動工作調整水槽的水溫度值，使水溫和環境溫度平衡(此時內筒底部的閥門處于關閉狀態)，外筒和水槽是連通的。
    (2)當水槽、外筒水溫和環境溫度達到一致時，打開內筒底部的閥門開始進水，當水位升至內筒壁水位計時，閥門自動關閉，內筒水和外筒水環境斷開。此時為了滿足外筒水溫高于內筒水溫1~1.5 ℃的國標要求，加熱棒開始加熱工作，并檢測內外筒水溫是否達到一致，若達到，則停止加熱。
    (3)儀器開始攪拌5 min使內筒水溫度分布均勻，期間外筒水在加熱棒和壓縮機的共同作用下始終沿著內筒水溫度改變。
    (4)攪拌5 min結束時，氧彈倉中煤樣點火，內筒水溫度急劇上升，同時檢測到內筒水溫度上升信號，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，該信號立刻被外筒水溫度傳感探頭檢測到，外筒水溫度開始跟蹤內筒水溫度急劇上升,其跟蹤曲線如圖3所示。

    由圖3可以看出，開始時外筒水溫度向內筒水溫度平衡，達到兩者溫度一致時,攪拌5 min使內筒水溫度分布充分均勻，氧彈試樣點火后內筒水溫度開始上升，幾乎同時外筒水溫度開始跟蹤內筒水溫度變化，且兩者之間的跟蹤誤差最大不超過0.5 ℃。對于絕熱式儀器設計來說，0.5 ℃溫度差導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外筒之間的熱交換問題。內筒水溫度不再變化時，外筒水溫度基本以小于0.1 ℃的超調量圍繞內筒水溫度變化，直至試驗結束。實驗測試數據如表1所示。

    本文開發了一種高精度的新型絕熱式智能量熱儀系統，該系統采用了水套密封包圍工藝結構、ARM嵌入式和觸摸屏技術；采用了外筒水加熱跟蹤內筒水溫度變化的控制模式，通過引入分段式PID控制算法提高了發熱量測試結果的準確性和控制精度。試驗結果表明，該儀器性能穩定、重復性好、準確度高，且操作方便，符合市場需求。
參考文獻
[1] 李平, 姬建偉, 宋家友. C8051F350在恒溫式自動量熱儀設計中的應用[J]. 傳感器與微系統, 2007, 26(10):
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[2] 劉輝,馬凌云,何東陸. 一種煤炭自動量熱儀的設計[J].工礦自動化, 2007(6):97-99.
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[4] 申仲濤. 基于CS5534的成組接地線電阻測試系統[J]. 微計算機信息, 2009,25(6-2):288-290.
[5] 羅超,景林,易金聰.基于STM32的便攜式海量溫濕度記錄儀設計[J]. 電子技術應用, 2012,38(12):83-86.