摘 要：熱導(dǎo)儀是一種通過(guò)測(cè)定寶石熱傳導(dǎo)能力來(lái)鑒別鉆石真?zhèn)蔚碾娮觾x器。目前使用的全模擬電路設(shè)計(jì)的熱導(dǎo)儀，在測(cè)量精度和智能化程度等方面均不盡人意。所以，我們嘗試設(shè)計(jì)一種全新的數(shù)字化、智能化自動(dòng)檢測(cè)的熱導(dǎo)儀，本文中簡(jiǎn)要介紹該儀器的硬件和軟件設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：熱導(dǎo)儀； A/D轉(zhuǎn)換； 數(shù)字化； 漢字液晶顯示；
一、引言
熱導(dǎo)儀是一種測(cè)定寶石熱傳導(dǎo)能力的電子儀器，它依據(jù)鉆石具有極佳的導(dǎo)熱性能而專(zhuān)門(mén)研制的，用于鑒別鉆石和各種仿冒品。由于其性能奇特，操作簡(jiǎn)便，體積小便于攜帶，大大提高人們識(shí)別鉆石的能力和速度。在鉆石鑒別工作中已成為首選的專(zhuān)門(mén)儀器，是珠寶檢測(cè)部門(mén)必不可少的常規(guī)設(shè)備之一。在市場(chǎng)上能夠買(mǎi)到的這種產(chǎn)品多數(shù)為日本制造，自從它于上世紀(jì)八十年代初問(wèn)世以來(lái)一直沿用至今，到今天其性能已經(jīng)逐漸不能滿足寶玉石鑒定的要求，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
1、儀器采用全模擬電路設(shè)計(jì)，通過(guò)加熱的熱電偶探針測(cè)定寶石傳熱性能，使用分成12個(gè)等級(jí)的LED發(fā)光二極管，通過(guò)其點(diǎn)亮數(shù)目的多少來(lái)區(qū)別是否為鉆石。顯然測(cè)試結(jié)果只用12個(gè)LED來(lái)顯示，其顯示精度和靈敏度較差；
2、熱傳導(dǎo)性是物質(zhì)的一種基本屬性，各種物質(zhì)都具有自已的導(dǎo)熱能力，各種寶石亦有自己的導(dǎo)熱能力，只要相互間有一定的差距，就存在用導(dǎo)熱能力來(lái)進(jìn)行鑒別的可能性。許多寶玉石專(zhuān)家嘗試用熱導(dǎo)儀測(cè)定其他寶玉石的導(dǎo)熱性能，但由于目前熱導(dǎo)儀的精度所限，結(jié)果都不是很理想，這使熱導(dǎo)儀使用功能的拓展受到局限；
3、鑒別結(jié)果尚需對(duì)照查表，儀器的自動(dòng)化程度不高；
4、對(duì)于新出現(xiàn)的像莫桑石這種比鉆石熱導(dǎo)率更高的介質(zhì)，是當(dāng)時(shí)熱導(dǎo)儀設(shè)計(jì)者所未考慮的問(wèn)題。
鑒于上述原因，綜合寶玉石專(zhuān)家的意見(jiàn)，我們嘗試設(shè)計(jì)一種全新的新一代數(shù)字化、智能化自動(dòng)檢測(cè)的熱導(dǎo)儀。
二、新一代數(shù)字化熱導(dǎo)儀的設(shè)計(jì)
1、硬件電路設(shè)計(jì)
新一代數(shù)字化熱導(dǎo)儀采用的是嵌入式單片微機(jī)的自動(dòng)檢測(cè)顯示控制系統(tǒng)。選用Philips公司低功耗的P87LPC767為主控的MCU；利用加熱探針和熱電偶來(lái)檢測(cè)被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)熱性能；通過(guò)對(duì)該檢測(cè)信號(hào)的處理和放大，將其引入MCU；再使用P87LPC767在片的8位A/D將模擬信號(hào)數(shù)字化；通過(guò)單總線數(shù)字溫度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)定環(huán)境溫度；綜合檢測(cè)到的導(dǎo)熱參數(shù)、實(shí)時(shí)溫度和輸入設(shè)定的介質(zhì)大小進(jìn)行運(yùn)算和判斷，最后通過(guò)液晶顯示器顯示測(cè)試結(jié)果及相關(guān)提示信息。儀器原理框圖如圖1所示,整個(gè)硬件電路有如下及部分組成。
1.1電源電路
整個(gè)電路由9V電池供電，主要由穩(wěn)壓二極管D4提供加熱體Heater供電，并由此引出整個(gè)電路的直流供電電壓Vcc和GND（如圖2所示）。
為了保障功放的質(zhì)量，要給兩級(jí)功放提供對(duì)稱(chēng)的正負(fù)基準(zhǔn)電壓，電路中采用LM317和IC7660SCPA構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路(如圖3所示)。LM317 是三端可調(diào)串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。LM317的輸出電壓范圍是（＋1.2V）至 （＋37V），負(fù)載電流最大為 （＋1.5A）。其線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。另外,它還內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。
IC7660芯片是單塊CMOS集成供電電路，它將正電壓轉(zhuǎn)換成為負(fù)電壓，根據(jù)型號(hào)不同其轉(zhuǎn)換的范圍為＋1.5V到＋12.0V。
單片機(jī)P87LPC767采用3.3V低電壓供電,故選用具有微型處理器復(fù)位功能電源芯片TPS7333，它是一種low-dropout（LDO）電壓調(diào)節(jié)器（如圖4所示）。
1.2功率放大
采集通道采用兩級(jí)的集成運(yùn)放對(duì)來(lái)自熱電偶的模擬電信號(hào)進(jìn)行放大。s1，s2引入熱電偶的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)高精度儀表放大器AD620作為第一級(jí)放大，為其配置了專(zhuān)用的電源基準(zhǔn)，提供了對(duì)稱(chēng)的正負(fù)電源，從而保證了放大倍數(shù)和精度。第二級(jí)采用了OP07，它有很高的開(kāi)環(huán)增益和很低的溫漂，并且它的輸入阻抗很高，對(duì)于時(shí)間和溫度的變化漂移和放大增益都很好的保持作用，甚至在放大增益很高的情況下，輸出值都相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確、穩(wěn)定（如圖5所示）。
1.3 主控芯片MCU及A/D轉(zhuǎn)換
我們選用了PHIlips公司的低功耗單片機(jī)P87LPC767，它采用的是增強(qiáng)型80C51MCU，其運(yùn)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51的2倍。其內(nèi)部集成了1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器2個(gè)模擬比較器和2個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器。
P87LPC767帶有一個(gè)四通道8位A/D轉(zhuǎn)換器，四個(gè)P0口引腳可選擇作為A/D轉(zhuǎn)換輸入。由于器件管腳有限A/D轉(zhuǎn)換的電源和參考電壓與MCU共用Vcc和Vss 。A/D轉(zhuǎn)換器最低可工作在3.0V。A/D轉(zhuǎn)換器電路包括一個(gè)4輸入模擬多路開(kāi)關(guān)選擇器和一個(gè)8位逐次逼近ADC，A/D還帶有一個(gè)比率電位計(jì)以保證DAC的單調(diào)性。
1.4漢字液晶顯示器
輸出顯示部分選用了RT12232F型號(hào)的漢字液晶顯示器，顯示界面采用全中文。TR12232F是一種內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字庫(kù)和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器；它主要由行驅(qū)動(dòng)器/ 列驅(qū)動(dòng)器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成；可完成圖形顯示,也可以顯示7.5×2個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字，與外部CPU接口采用并行或串行方式控制，在本設(shè)計(jì)中我們采用串行方式控制。
1.5數(shù)字溫度計(jì)
設(shè)計(jì)中選用1-Wire總線的數(shù)字溫度計(jì)DS18B20可以方便的給出每次測(cè)量時(shí)的溫度值，為確定物質(zhì)的種類(lèi)提供了必要的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度參數(shù)（如圖6所示）。
2、軟件程序設(shè)計(jì)
硬件電路設(shè)計(jì)完成后，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了印刷電路，并編制了相應(yīng)的監(jiān)控程序。采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，整個(gè)程序由若干子程序組成。軟件程序基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。
2.1、主程序：主要完成對(duì)三個(gè)按鍵的掃描，按下選擇鍵可分別進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)或檢測(cè)狀態(tài)，按下復(fù)位鍵可使系統(tǒng)復(fù)位。
2.2、設(shè)置子程序：在設(shè)置狀態(tài)下按下設(shè)置鍵可循環(huán)設(shè)置存儲(chǔ)被測(cè)寶石介質(zhì)的大小（分成小于0.05克拉、0.05～0.5克拉和大于0.6克拉三檔）。
2.3、導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)子程序：在檢測(cè)狀態(tài)通過(guò)巡回啟動(dòng)A/D檢測(cè)被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)熱性能，測(cè)定數(shù)據(jù)采用十次測(cè)量取平均值的方法，以保證測(cè)量的可靠性。
2.4、環(huán)境溫度檢測(cè)子程序：采用定時(shí)中斷方式，通過(guò)啟動(dòng)DS18B20數(shù)字溫度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)定環(huán)境溫度并存儲(chǔ)。
2.5、運(yùn)算子程序；將測(cè)定的導(dǎo)熱系數(shù)、環(huán)境溫度和被測(cè)介質(zhì)的大小，通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合運(yùn)算，采用查表方法確定被測(cè)介質(zhì)的種類(lèi)，并數(shù)字化的給出一個(gè)反映該介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的參數(shù)。
2.6、LCD子程序：采用中斷方式定時(shí)調(diào)用，以實(shí)時(shí)更新顯示，采用全中文方式測(cè)量結(jié)果，主要包括：介質(zhì)的種類(lèi)名、導(dǎo)熱性能參數(shù)值和實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度等。
三、系統(tǒng)特點(diǎn)
硬件電路設(shè)計(jì)完成后，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了印刷電路板，并編寫(xiě)了相應(yīng)的監(jiān)控程序，現(xiàn)已研制出試驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)。其已具備的主要功能有：
①、對(duì)被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)熱性能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，可用0～255的數(shù)字量進(jìn)行顯示。現(xiàn)有熱導(dǎo)儀只能區(qū)別12檔的不同顯示，因而測(cè)試精度大大提高。
②、可以對(duì)測(cè)試的環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量并顯示測(cè)量結(jié)果。
③、綜合測(cè)得的導(dǎo)熱參數(shù)、環(huán)境溫度和輸入的大小信息，通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算得出測(cè)試結(jié)論，并采用液晶顯示器，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試結(jié)果和提示信息的全中文直接顯示，無(wú)需再對(duì)照查表。
新開(kāi)發(fā)的數(shù)字化熱導(dǎo)儀不但可以高靈敏性地鑒別鉆石的真?zhèn)危⑶疫€可以測(cè)試其他寶玉石的導(dǎo)熱性能，可為寶玉石的種類(lèi)鑒別提供寶貴的參考數(shù)據(jù)。另外，儀器設(shè)計(jì)中還采用了I2C總線、1-Wire總線及數(shù)字溫度計(jì)等先進(jìn)技術(shù)。另外，據(jù)我們掌握的情況，新一代數(shù)字化熱導(dǎo)儀的研究開(kāi)發(fā)工作在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例，所以，此項(xiàng)研究工作具有一定的開(kāi)創(chuàng)性。我們開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)樣機(jī)具有體積小、重量輕、智能化、數(shù)字化、全中文顯示等優(yōu)點(diǎn)，相信它具有一定的市場(chǎng)潛力。
四、結(jié)語(yǔ)
試驗(yàn)樣機(jī)研制成功后，我們用它對(duì)鉆石、藍(lán)寶石、水晶、托帕石、翡翠、軟玉、岫石及蛇紋石玉等多種寶玉石進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：新研制的熱導(dǎo)儀可以測(cè)試不同寶玉石的導(dǎo)熱性能，并可全中文數(shù)字化地顯示測(cè)試結(jié)果。但綜合數(shù)學(xué)模型的建立，必須需要有大量的測(cè)試數(shù)據(jù)支撐，限于目前的開(kāi)發(fā)階段，所測(cè)得的數(shù)據(jù)量尚顯不足，數(shù)學(xué)模型還有賴(lài)于我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦校ㄟ^(guò)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步的優(yōu)化。本課題的研究得到了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)基金的資助，還得到了中國(guó)寶玉石協(xié)會(huì)吳國(guó)忠教授等給予的指導(dǎo)和幫助，在此一并表示謝意。
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