摘要：介紹了一種瀝青軟化點自動檢測裝置的設(shè)計方法。以國家標準GB/T 4507-84《石油瀝青軟化點測定法》為依據(jù)并結(jié)合實際操作的具體情況，提出了自動檢測裝置的總體設(shè)計方案。主要介紹了溫度檢測通道、光電檢測通道和鏈盤顯示等電路的工作原理及部分程序設(shè)計思想。

石油瀝青是國家基本建設(shè)的重要原材料之一，它廣泛地應用在高速公路路面建設(shè)、房屋防水防潮、絕緣防腐等防護層工程中。瀝青質(zhì)量的好壞直接影響工程項目的質(zhì)量和服務年限。對于瀝青生產(chǎn)單位和以瀝青為原料的施工單位來說，瀝青軟化點的檢測是保證瀝青質(zhì)量的重要指標之一。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精確檢測瀝青軟化點的裝置，來保證瀝青生產(chǎn)和工程質(zhì)量。瀝青的軟化點是試樣在規(guī)定檢測條件下因受熱而下墜到25.4mm時的溫度。不同的工程項目要求的瀝青軟化點不同，煉油廠需要根據(jù)不同工程項目控制生產(chǎn)工藝過程，使其軟化點限制在規(guī)定要求的范圍內(nèi)；而工程施工單位則需要根據(jù)工程的要求檢驗瀝青的軟化點以確保工程質(zhì)量。國外自動檢測裝置比較少，而且價格很貴，對工作環(huán)境要求較高、只能在研究部門實驗室中使用，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檢測瀝青軟化點且適合現(xiàn)場使用的檢測裝置。

1 自動檢測裝置的總體設(shè)計

根據(jù)國家標準《石油瀝青軟化點測定法》中提出的要求，瀝青軟化點自動檢測裝置必須滿足以下幾方面的要求：(1)對燒杯內(nèi)的水或甘油加熱溫度應該保持每分鐘上升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，因此需要對兩種加熱媒體的加熱情況進芊區(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）為自動檢測試樣受熱下墜達到25.4mm，需要采用光電技術(shù)檢測瀝青軟化點，以消除人眼觀測誤差。

根據(jù)上述四個方面的要求，采用單片機作為核心器件組成瀝青軟化點自動檢測裝置，這樣可以使瀝青軟件點的自動檢測達到“智能”化。下面介紹一下軟化點自動檢測裝置的總體設(shè)計。

圖1是軟化點檢測系統(tǒng)組成原理框圖。從圖1可以看出，瀝青軟化點檢測系統(tǒng)是由單片機、溫度傳感器、電傳感器、顯示部分、鍵盤、微型打印機和串行口等組成。單片機是檢測系統(tǒng)的核心，負責數(shù)據(jù)的采集、處理和整個系統(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)換后送到單片機進行數(shù)據(jù)處理；光電傳感器把被檢測的瀝青試樣受熱后下墜達到25.4mm的信息通過整形電路送入單片機，以便確定瀝青軟化點；顯示部門把系統(tǒng)運行和操作過程中的信息顯示給操作人員，使其能及時了解軟化點檢測裝置的運行情況；鍵盤是人機對話的必要工具，用它可以在軟化點檢測裝置運行前輸入必要的信息；微型打印機用來輸出軟化點檢測結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)；蜂鳴器用于報警；串行口是為單片機與PC機交換數(shù)據(jù)而預留的。

2 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)瀝青軟化點檢測的技術(shù)要求，設(shè)計了以單片機為核心的單片機最小系統(tǒng)。下面從以下幾個主要方面做一下介紹。

2.1 溫度檢測通道

圖2所示是溫度檢測通道電路原理圖[1]，它由恒流源、兩級放大和A/D轉(zhuǎn)換三部分組成。恒流源由U1、5V穩(wěn)壓管和三級管Q等組成，在三極管Q的發(fā)射極輸出一個2mA的怛定電流。兩級放大器由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導線從燒杯引到印刷電路板上；U2和U3之間的R7、R8、C1和C2組成一個工頻濾波器，用以消除工頻信號的干擾。由于濕度的變化相對較慢，所以采用LM331 V/F轉(zhuǎn)換器，用于A/D轉(zhuǎn)換[1]。來自放大順的溫度信號通過R11從LM331的7腳輸入，再比它的3腳輸出一個頻率與溫度成正比的脈沖信號，然后輸入到單片機的定時器/計數(shù)器1的輸入端T1。單片機定時地從定時器/計數(shù)器1取計數(shù)值就可以完成A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 光電檢測通道

圖3所示是光電檢測通道電路原理圖[2]。它由光電管D1、電壓比較器LM311、延時電路和觸發(fā)器組成。光電管用來檢測瀝青度樣下墜狀態(tài)，發(fā)光源和光電管分別放在燒杯的前后兩面。當瀝青試樣受熱下墜達25.4mm時，瀝青試樣正好遮住發(fā)光源射入到光電管的光線，這時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組成的延時電路并從延時電路輸出。而且，電壓比較器LM311和延時電路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腳輸出的信號送到CD4013的6腳，觸發(fā)CD4013的一個D觸發(fā)器使CD4013的2腳輸出信號送到單片機的外部中斷INT1端。一般情況下，檢測裝置設(shè)計兩個瀝青試樣同時檢測。圖3是一路瀝青試樣的檢測電路，另一路檢測電中與該路相同。不同的是，另一路由CD4013另一個D觸發(fā)器組成基本RS觸發(fā)器，其輸出是送到單片機的外部中斷INT0端。

    2.3 鍵盤與顯示接口設(shè)備

圖4所示是鍵盤與顯示接口電路原理圖[3]，主要由HD7279A、16個按鈕和8個LED數(shù)碼管組成。16個按鈕和8個LED數(shù)碼管用于人機對話。HD7279A是一個具有串行接口、可同時驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片。該芯片同時還可以連接多達64個鍵的鍵盤矩陣，并含有去抖動電路。它的內(nèi)部譯碼器，可以直接接收十六進制數(shù)碼。引腳8（DATA）為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當執(zhí)行接收指令時，該引腳為輸入端，當讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，該引腳在“讀”指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?，與單片機的P1.1連接；引腳9（KEY）為按鍵有效輸出端，平時為高電平，當檢測到有效按鍵時，此引腳變?yōu)榈碗娖?，與單片機的P1.2連接；引腳6（CS）為片選輸入端，該引腳為低電平時，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)，與單片機的P1.3連接；引腳7(CLK)為同步時鐘輸入端，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，該引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效，與單片機的P1.4連接；引腳10～16（SG～SA）為段g～a驅(qū)動輸出；引腳17（DP）為小數(shù)點驅(qū)動輸出；引腳18～25（D0～D7）為數(shù)字0～7位驅(qū)動輸出；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）為復位端。詳細的應用方法請參考文獻[1]。

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

3 軟件設(shè)計

瀝青軟化點自動檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計好后，就可以進行軟件設(shè)計[4]。下面通過幾個主要程序來說明整個檢測系統(tǒng)的設(shè)計思想。

3.1 主程序的設(shè)計

首先設(shè)好堆棧和關(guān)中斷，清標志位和設(shè)優(yōu)先級，并設(shè)T0和T1的時間常數(shù)和工作方式，然后清時間計數(shù)單元，測試HD7279A，開中斷，最后進入循環(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 溫度檢測子程序的設(shè)計

溫度檢測電路是將連續(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送入到單片機的T1計數(shù)器中。T1的計數(shù)值則是溫度值。單片機的T0設(shè)為定時器，通過定時器每1秒采樣一次的。

圖4

    3.4 瀝青試樣受熱下墜檢測子程序的設(shè)計

兩個瀝青試樣分別由單片機的INT0和INT1端檢測。設(shè)一個標準位iball記錄試樣是否有下附的情況，iball=0為無試樣下墜，iball=1為有試樣下墜。再設(shè)兩個試樣分別為Rball和Lball。當檢測裝置加熱達到瀝青度樣的軟化點溫度時，試樣上墜到25.4mm，使得光源被遮住，光電管的電阻升高，通過光電檢測電路觸發(fā)INT0（INT1）進入中斷服務子程序。中斷服務子程序首先保護現(xiàn)場，關(guān)中斷INT0（INT1），把當前的溫度值送入到顯示緩沖區(qū)；然后檢測iball是否為1，如iball=0，則iball置1，如iball=1，則停止T1計數(shù)；在這之后調(diào)用顯示子程序顯示瀝青軟化點溫度值。

3.4 鍵盤與顯示子程序的設(shè)計

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

以上提出了瀝青軟化點自動檢測裝置的總體設(shè)計方案，并且介紹了該裝置的設(shè)計思路。經(jīng)過對各部門電路的調(diào)試以及對組裝起的一臺樣機進行總體調(diào)試，證明基本達到設(shè)計所提出來的要求。