摘要：介紹了一種瀝青軟化點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方法。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4507-84《石油瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定法》為依據(jù)并結(jié)合實(shí)際操作的具體情況，提出了自動(dòng)檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)方案。主要介紹了溫度檢測(cè)通道、光電檢測(cè)通道和鏈盤(pán)顯示等電路的工作原理及部分程序設(shè)計(jì)思想。

石油瀝青是國(guó)家基本建設(shè)的重要原材料之一，它廣泛地應(yīng)用在高速公路路面建設(shè)、房屋防水防潮、絕緣防腐等防護(hù)層工程中。瀝青質(zhì)量的好壞直接影響工程項(xiàng)目的質(zhì)量和服務(wù)年限。對(duì)于瀝青生產(chǎn)單位和以瀝青為原料的施工單位來(lái)說(shuō)，瀝青軟化點(diǎn)的檢測(cè)是保證瀝青質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。所以，瀝青生產(chǎn)單位和使用瀝青的施工單位都急需一種能自動(dòng)精確檢測(cè)瀝青軟化點(diǎn)的裝置，來(lái)保證瀝青生產(chǎn)和工程質(zhì)量。瀝青的軟化點(diǎn)是試樣在規(guī)定檢測(cè)條件下因受熱而下墜到25.4mm時(shí)的溫度。不同的工程項(xiàng)目要求的瀝青軟化點(diǎn)不同，煉油廠需要根據(jù)不同工程項(xiàng)目控制生產(chǎn)工藝過(guò)程，使其軟化點(diǎn)限制在規(guī)定要求的范圍內(nèi)；而工程施工單位則需要根據(jù)工程的要求檢驗(yàn)瀝青的軟化點(diǎn)以確保工程質(zhì)量。國(guó)外自動(dòng)檢測(cè)裝置比較少，而且價(jià)格很貴，對(duì)工作環(huán)境要求較高、只能在研究部門(mén)實(shí)驗(yàn)室中使用，不適合瀝青生產(chǎn)單位和施工單位使用。本文介紹一種能精確和自動(dòng)檢測(cè)瀝青軟化點(diǎn)且適合現(xiàn)場(chǎng)使用的檢測(cè)裝置。

1 自動(dòng)檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《石油瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定法》中提出的要求，瀝青軟化點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)裝置必須滿足以下幾方面的要求：(1)對(duì)燒杯內(nèi)的水或甘油加熱溫度應(yīng)該保持每分鐘上升5±0.5℃，因此需要采用恒功率控制加熱器；（2）瀝青軟化點(diǎn)不高于80℃的試樣用水作為加熱媒體，高于80℃的試樣用甘油作為加熱媒體，因此需要對(duì)兩種加熱媒體的加熱情況進(jìn)芊區(qū)分；（3）加熱前，水溫需要保持在5±0.5℃或甘油溫度保持在32±1℃，且恒溫15分鐘；（4）為自動(dòng)檢測(cè)試樣受熱下墜達(dá)到25.4mm，需要采用光電技術(shù)檢測(cè)瀝青軟化點(diǎn)，以消除人眼觀測(cè)誤差。

根據(jù)上述四個(gè)方面的要求，采用單片機(jī)作為核心器件組成瀝青軟化點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)裝置，這樣可以使瀝青軟件點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)達(dá)到“智能”化。下面介紹一下軟化點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)。

圖1是軟化點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)組成原理框圖。從圖1可以看出，瀝青軟化點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)是由單片機(jī)、溫度傳感器、電傳感器、顯示部分、鍵盤(pán)、微型打印機(jī)和串行口等組成。單片機(jī)是檢測(cè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作；溫度傳感器把燒杯中的水或甘油溫度傳送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；光電傳感器把被檢測(cè)的瀝青試樣受熱后下墜達(dá)到25.4mm的信息通過(guò)整形電路送入單片機(jī)，以便確定瀝青軟化點(diǎn)；顯示部門(mén)把系統(tǒng)運(yùn)行和操作過(guò)程中的信息顯示給操作人員，使其能及時(shí)了解軟化點(diǎn)檢測(cè)裝置的運(yùn)行情況；鍵盤(pán)是人機(jī)對(duì)話的必要工具，用它可以在軟化點(diǎn)檢測(cè)裝置運(yùn)行前輸入必要的信息；微型打印機(jī)用來(lái)輸出軟化點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)；蜂鳴器用于報(bào)警；串行口是為單片機(jī)與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)而預(yù)留的。

2 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)瀝青軟化點(diǎn)檢測(cè)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)。下面從以下幾個(gè)主要方面做一下介紹。

2.1 溫度檢測(cè)通道

圖2所示是溫度檢測(cè)通道電路原理圖[1]，它由恒流源、兩級(jí)放大和A/D轉(zhuǎn)換三部分組成。恒流源由U1、5V穩(wěn)壓管和三級(jí)管Q等組成，在三極管Q的發(fā)射極輸出一個(gè)2mA的怛定電流。兩級(jí)放大器由U2和U3等元器件組成。Rt100是溫度傳感器，它兩端的雙線表示溫度傳感器是通過(guò)導(dǎo)線從燒杯引到印刷電路板上；U2和U3之間的R7、R8、C1和C2組成一個(gè)工頻濾波器，用以消除工頻信號(hào)的干擾。由于濕度的變化相對(duì)較慢，所以采用LM331 V/F轉(zhuǎn)換器，用于A/D轉(zhuǎn)換[1]。來(lái)自放大順的溫度信號(hào)通過(guò)R11從LM331的7腳輸入，再比它的3腳輸出一個(gè)頻率與溫度成正比的脈沖信號(hào)，然后輸入到單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸入端T1。單片機(jī)定時(shí)地從定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1取計(jì)數(shù)值就可以完成A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 光電檢測(cè)通道

圖3所示是光電檢測(cè)通道電路原理圖[2]。它由光電管D1、電壓比較器LM311、延時(shí)電路和觸發(fā)器組成。光電管用來(lái)檢測(cè)瀝青度樣下墜狀態(tài)，發(fā)光源和光電管分別放在燒杯的前后兩面。當(dāng)瀝青試樣受熱下墜達(dá)25.4mm時(shí)，瀝青試樣正好遮住發(fā)光源射入到光電管的光線，這時(shí)光電管兩端呈高阻狀態(tài)，光電管D1的陰極電位升高，電壓比較器LM311反相輸入端的電位高于同相輸入端的電位，比較器的輸出端輸出低電位。該低電位輸入到由LM555組成的延時(shí)電路并從延時(shí)電路輸出。而且，電壓比較器LM311和延時(shí)電路LM555兩部分還組成整形電路。把CD4013雙D觸發(fā)器的引腳3、5接地，CD4013便接成基本RS觸發(fā)器。LM555的3腳輸出的信號(hào)送到CD4013的6腳，觸發(fā)CD4013的一個(gè)D觸發(fā)器使CD4013的2腳輸出信號(hào)送到單片機(jī)的外部中斷INT1端。一般情況下，檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)兩個(gè)瀝青試樣同時(shí)檢測(cè)。圖3是一路瀝青試樣的檢測(cè)電路，另一路檢測(cè)電中與該路相同。不同的是，另一路由CD4013另一個(gè)D觸發(fā)器組成基本RS觸發(fā)器，其輸出是送到單片機(jī)的外部中斷INT0端。

    2.3 鍵盤(pán)與顯示接口設(shè)備

圖4所示是鍵盤(pán)與顯示接口電路原理圖[3]，主要由HD7279A、16個(gè)按鈕和8個(gè)LED數(shù)碼管組成。16個(gè)按鈕和8個(gè)LED數(shù)碼管用于人機(jī)對(duì)話。HD7279A是一個(gè)具有串行接口、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片同時(shí)還可以連接多達(dá)64個(gè)鍵的鍵盤(pán)矩陣，并含有去抖動(dòng)電路。它的內(nèi)部譯碼器，可以直接接收十六進(jìn)制數(shù)碼。引腳8（DATA）為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當(dāng)執(zhí)行接收指令時(shí)，該引腳為輸入端，當(dāng)讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，該引腳在“讀”指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆耍c單片機(jī)的P1.1連接；引腳9（KEY）為按鍵有效輸出端，平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測(cè)到有效按鍵時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖剑c單片機(jī)的P1.2連接；引腳6（CS）為片選輸入端，該引腳為低電平時(shí)，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)，與單片機(jī)的P1.3連接；引腳7(CLK)為同步時(shí)鐘輸入端，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，該引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效，與單片機(jī)的P1.4連接；引腳10～16（SG～SA）為段g～a驅(qū)動(dòng)輸出；引腳17（DP）為小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出；引腳18～25（D0～D7）為數(shù)字0～7位驅(qū)動(dòng)輸出；引腳26（CLKO）為振蕩器輸出端；引腳27（RC）為RC振蕩器連接端；引腳28（RESET）為復(fù)位端。詳細(xì)的應(yīng)用方法請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1]。

從上述介紹可以看出瀝青軟化點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)裝置的主要硬件分配為：T0為整個(gè)系統(tǒng)的定時(shí)器；T1為由LM331組成的串行A/D轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)器；INT0和INT1為兩個(gè)瀝青試樣下墜達(dá)到25.4mm時(shí)的中斷輸入；p1.0～p1.4分別接到HD7279A的DATA、KEY、CS和CLK端。

3 軟件設(shè)計(jì)

瀝青軟化點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)好后，就可以進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)[4]。下面通過(guò)幾個(gè)主要程序來(lái)說(shuō)明整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

3.1 主程序的設(shè)計(jì)

首先設(shè)好堆棧和關(guān)中斷，清標(biāo)志位和設(shè)優(yōu)先級(jí)，并設(shè)T0和T1的時(shí)間常數(shù)和工作方式，然后清時(shí)間計(jì)數(shù)單元，測(cè)試HD7279A，開(kāi)中斷，最后進(jìn)入循環(huán)體。在循環(huán)體中主要執(zhí)行鍵值處理子程序和顯示子程序。

3.2 溫度檢測(cè)子程序的設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路是將連續(xù)溫度的變化轉(zhuǎn)換成頻率的變化，轉(zhuǎn)換后的頻率變化由LM311的引腳3送入到單片機(jī)的T1計(jì)數(shù)器中。T1的計(jì)數(shù)值則是溫度值。單片機(jī)的T0設(shè)為定時(shí)器，通過(guò)定時(shí)器每1秒采樣一次的。

圖4

    3.4 瀝青試樣受熱下墜檢測(cè)子程序的設(shè)計(jì)

兩個(gè)瀝青試樣分別由單片機(jī)的INT0和INT1端檢測(cè)。設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)位iball記錄試樣是否有下附的情況，iball=0為無(wú)試樣下墜，iball=1為有試樣下墜。再設(shè)兩個(gè)試樣分別為Rball和Lball。當(dāng)檢測(cè)裝置加熱達(dá)到瀝青度樣的軟化點(diǎn)溫度時(shí)，試樣上墜到25.4mm，使得光源被遮住，光電管的電阻升高，通過(guò)光電檢測(cè)電路觸發(fā)INT0（INT1）進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)子程序首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，關(guān)中斷INT0（INT1），把當(dāng)前的溫度值送入到顯示緩沖區(qū)；然后檢測(cè)iball是否為1，如iball=0，則iball置1，如iball=1，則停止T1計(jì)數(shù)；在這之后調(diào)用顯示子程序顯示瀝青軟化點(diǎn)溫度值。

3.4 鍵盤(pán)與顯示子程序的設(shè)計(jì)

該子程序定義功能和數(shù)字鍵盤(pán)，通過(guò)HD7279A完成信息輸入和顯示。

以上提出了瀝青軟化點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)方案，并且介紹了該裝置的設(shè)計(jì)思路。經(jīng)過(guò)對(duì)各部門(mén)電路的調(diào)試以及對(duì)組裝起的一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行總體調(diào)試，證明基本達(dá)到設(shè)計(jì)所提出來(lái)的要求。