以C8051F单片机为控制核心的气流仪设计

引 言

本课题研究的棉花气流仪是根据GB6468－1992棉纤维“马克隆值”测试方法的有关规定，结合目前的微电脑监控系统技术，采用单片机C8051F，具有测试速度快、容易维修、费用低、效率高等特点。

马克隆值为在特定条件下一团棉花的透气性的度量。实践经验表明，马克隆值与纺纱有着密切的关系，马克隆值过高或过低，其棉纤维可纺性能都较差，只有马克隆值适中的棉纤维才能获得较全面的纺纱经济效益。

1气流仪的基本原理

本仪器是气流式的马克隆值测定仪。马克隆气流仪的基本原理是以一定压力的气流通过固定容积内的定质量的纤维塞，由于纤维的表面积不同，对气流的阻力大小不同，在纤维塞两端产生的压力差或流量大小也不同。表面积小的纤维，对气流的阻力小流量大（或压差小）；反之，流量大（或压差大）。因此可根据流量或压力差的变化，指示出纤维的透气性。试样的质量和体积对仪器是常数，透气性的变化可用马克隆值单位来标定。

式中：A为试样筒内截面积；L为试样筒高度；△P为试样筒两端压力差；S为纤维比表面积；μ为空气粘滞系数；ε为试样筒内纤维的空隙率（纤维集合体内空间体积与集合体总体积之）；K为常数。

从公式可以看出：纤维的表面积越小（即纤维越粗），通过的流量越大，表示纤维的透气性越好，所测的马克隆值越高，表明纤维的成熟度越好。因此，一般情况下，纤维成熟度越好，其马克隆值也越高，即两者是正相关。

2 硬件设计

根据气流仪的原理，我们采用C8051F023单片机为核心控制。该单片机内核为高速8051微控制器。

仪器传感器有两个，分别为气压传感器和称重传感器。据本仪器的设计精度要求，选择微重传感器和微压传感器。硬件框图如图1所示。

仪器工作过程：在电子称上称8 g棉样后均匀地放入试样筒内，形成固定密度的纤维塞。气泵向储气筒充气产生恒压，恒压气流经气阻（试样筒内的纤维塞）流入仪器，在试样筒的两端形成了气压差。由于不同马克隆值的棉纤维对气流的阻力不同，因此形成的压差也不同，气压传感器将此压差信号转换成电量，单片机将数据处理后，显示出马克隆值及马克隆值等级，同时还能完成平均值的运算。

3软件设计

仪器控制程序设计是按照结构化的程序设计方法设计的，将整个程序细分为若干子程序，以方便调试与检查。

仪器开机上电后，单片机首先查询仪器是否需要砝码校准，如果需要则进行砝码校准，否则判断是否马值校准，如果是进行马值校准，否则判断是否称重。当称量了8 g的棉花后，程序判断P1.7口是否为低电平，如果是则进行马值测定，否则仍进入称重子程序。由于我们的仪器只能测量马值范围为2.5～7.0的马值，因此得到马值时首先判断马值是否满度。当测量值低于1 V时，也就是马值低于2.5时，认为马值满度，并显示E000，若马值没有满度则依据经验公式计算马值真值。最后进行马值等级的判断，依据国标的规定，马值范围在3.7～4.2的为A级，3.5～3.6，4.3～4.9的为B级，3.4以下或5.0以上为C级。判断结束后，单片机调用显示子程序，显示出被侧棉样的马值及相应的等级。

图2是主程序流程图。

整个软件子程序包括砝码校准子程序，马值校准子程序，称重子程序，马值测量子程序，显示子程序以及一些算法子程序等。

通过对传感器及其放大电路的设计，我们知道当气压为零点时，电压为0.500 V，当气压满度为400 Pa时，电压为2.46 V，曲线如图3所示。

从考虑精度的要求出发，我们选择A／D转换为10位，参考电压为2.5 V，当输入模拟量为2.5 V时，转换成数字量为210=1 024（800H），根据硬件电路，当试样筒没有放入棉花时，气流通过后测得的气压差0，送入单片机的电压为0.500 V，即由方程：

换算成对应的数字量为0CDH，根据式（4）和表1的数据可以算出马克隆值和数字量的一个对应表，将此表输入程序中作为马值计算的基准。

由国标规定的标准棉样的马值，通过实验我们找出了其对应的电压值，发现它们不是线性关系，也不能用-个简单的数学表达式表示，因此采用分段处理的方法表示出他们的逻辑关系。并依据这个规律进行数学建模。具体流程图如图4所示。

上述马值真值没有考虑校准偏差的情况，因此应进行马值补偿。首先判断该马值是低、中、高中的哪一个等级，然后从EEPROM存储器中调出在马值校准中得到的偏差，经过计算后得到同实际值相吻合的马值。

4实验测试

根据国标GB6468-1992棉纤维“马克隆值”测试方法的有关规定对所设计的仪器进行校验。用马克隆值分别为A、B、C级的不同棉样，在室温21℃左右的环境下，所测得的数据误差不超过±0.1。仪器精度完全符合要求。

5结束语

本仪器在设计中紧密结合我国国情，具有人机界面好、方便、快捷、体积小、性价比好的特点。所设计的仪器采用单片控制，使用电子称重，气压传感器测定马值，且具有标准棉样或标准塞自动校正及马值自动分级功能，能够做到智能剔除异常数据，是测定马克隆值的一代新产品。