基于ATmega8515的低热电势程控扫描开关

摘  要： 介绍了一种低热电势程控扫描开关的设计。单片机ATmega8515通过步进电机控制12路波段开关的转动，实现标准热电偶的测量通道切换功能。该扫描开关可手动操作，也可程控操作，已成功应用于全自动温度校准系统。测试结果表明，该扫描开关极大降低了测量通道的热电势，在计量检定领域具有良好的应用前景。
关键词： 扫描开关；ATmega8515；热电势；检定
   　根据标准热电偶检定规程[1]的要求，在检定过程中使用的转换开关的寄生电势应不大于0.4 μV。为了满足自动检定的需要，可通过计算机控制的程控扫描开关已逐渐成为应用趋势。
　程控扫描开关的核心是多路切换开关，一般使用银触点低热电势波段开关。杨平[2]等人探讨了使用通用继电器代替低热电势切换开关的可能性，但认为常规继电器由于接点电动势过大，尚无法取代低热电势切换开关；王磊[3]等人研制了用于标准电池检定的程控开关，使用轻压力旋转开关作为开关部件，其电热电势低于20 nV；易晓林[4]使用恒流源法检测低热电势扫描开关的接触热电势，认为扫描开关点的筛选及定期检测是有必要的。
　本文设计的低热电势程控扫描开关不使用常规继电器完成开关切换，而是通过接触热电势检测筛选，其使用的12路轻压力旋转开关完全符合标准热电偶检定的要求。该扫描开关具有接触热电势低、性能稳定、体积小、重量轻、自动与手动两用的特点，与自动热电偶校准系统软件配合，可以同时完成10只一等标准热电偶或11只二等标准热电偶的自动检定。
1 系统结构
　图1是低热电势程控扫描开关的结构示意图，其外观及手动使用方法与常规手动转换开关类似。
使用通道选择旋钮可以手动选择测量通道，一共有12路测量通道，组成2×12的切换开关。测量通道的接线端子由纯铜制成，与三联波段开关通过粗铜线直接相连，以降低接触热电势。在三联12路波段开关中，有一联波段开关专门用于开关的定位检测。三联波段开关经过柔性联轴器与步进电机相连，以消除可能的非同轴传动带来的影响。步进电机的特点是低转速时扭矩大，适合于克服波段开关转动的静摩擦力。步进电机由步进电机驱动器控制，单片机每发送一个脉冲，步进电机就转过一个细分角度。环形变压器将220 V交流电压经全桥堆整流后，为步进电机提供24 V直流电压。
   
   
　本开关使用的步进电机是北京斯达微步控制技术有限公司生产的17HS001型两相步进电机，其最大静转矩为0.15 Nm，步距角为1.8°，空载启动转速为390 r/min。步进电机驱动器为配套的SH-2H042型驱动器，驱动器电压为直流24 V，电流为1.6 A，细分数为5。经实际使用，可达到控制要求。
　本开关的步进电机、驱动器及环形变压器均是发热较多的器件，除了使用散热孔外，还使用双层隔热板与开关部分隔开，以减轻对三联波段开关的温度影响。三联波段开关被单独隔离在具有散热孔的电磁屏蔽空间内。
2 设计实现
2.1 控制电路
　低热电势程控扫描开关的控制电路如图2所示。MCU使用Atmel公司的8 bit AVR单片机ATmega8515。图2包含了除电源及RS232之外的所有电路。P1是用于MCU在线下载程序的Atmel标准IDC6接头；R1、C1组成开机复位延迟电路；使用外部4.915 2 MHz晶体的目的是准确配合9 600 b/s串口通信速率。
   
   　ATmega8515的PD2数字I/O口配置为输出，发送脉冲以控制步进电机转动；S1是三联12路波段开关中用于开关定位的检测开关联，由MCU的PA及部分PC数字I/O口检测。这些数字I/O口配置为开启上拉电阻的输入口，这样可节省检测所需的上拉电阻；S2是手动通道选择旋钮，是一个普通的12路波段开关，用于选择及指示当前测量通道，其检测方法与S1相同。ATmega8515可以直接驱动发光二极管，4个发光二极管分别用来指示系统状态：LED Running点亮表示步进电机正在转动中；LED Ready点亮表示到达开关位置；LED Error点亮表示系统出错；LED Remote点亮表示扫描开关处于计算机遥控状态。