基于AVR单片机的毛细管流变仪系统设计

　　0引言

　　在高分子材料的流变特性研究中，毛细管流变仪已经成为非常重要，也是一个必不可少的设备。国内外有一些成熟的毛细管流变仪产品及设计方案，各具特色。如TienT.Dao等人设计的SmartRHEO毛细管流变仪在剪切速率计 算 方 面，精 度 高、测 量 范 围 广 泛，而 且 有ESP(equilibibrium　stress　prediction)工作方式及手动工作方式;涂海燕等人针对毛细管流变仪的控温部分，结合神经网络内膜控制，给出一个较好的控温方案。鉴于AVR单片机的广泛应用[3-5]与优异的性能，本文以Atmega128L为核心芯片，结合传感技术，微电子技术，PID工业控制算法等技术，设计开发了一种适合实验教学和科学研究的低成本毛细管流变仪，能够完成以下几个功能：1)绘制热塑性材料的塑化曲线;2)测定热塑性材料的软化点、熔融点、流动点的温度;3)测定热固性材料的流动性及固化速度;4)测定并绘制热塑性材料的剪切应力-剪切速率曲线;5)测定高聚物熔体的粘度及粘流活化能;6)测定高聚物材料的熔融纺丝的条件。

      1　毛细管流变仪的基本结构及原理

      毛细管流变仪的基础部分是一个温度可控制的圆筒形加热炉，如图1所示。加热管在料筒(投料区)外部，靠电热丝进行加热升温。料筒内装入待测试的高分子材料(样品);毛细管为不同长径比的金属管，可以使样品在熔融状态被挤出;2个铂电阻分别安装在料筒内和加热炉内部，分别测量样品温度和加热炉温度;柱塞(活塞)在一定负荷的压力下，使得样品能够在熔融状态下以相应的速率从毛细管中被挤出;在挤出的过程中，借助位移传感器测得活塞的位置，可计算出挤出速率、流量、剪切速率、黏度等数据。

　　毛细管流变仪的工作原理如下：当高分子材料装入料筒以后，高分子材料被加热炉加热。在等速升温的加热方式中，可测定热塑性材料的软化点、熔融点、流动点温度;在恒温测试中，高分子材料在负荷的压力下通过毛细管被挤出，结合仪器设置的相应参数，可以算出不同温度和剪切应力条件下样品熔体的表观黏度等。

　　2　系统总体设计

　　2.1　系统结构设计

　　本系统主要由上位机和下位机2部分组成，下位机负责对实验设备进行控制和数据采集等功能，而上位机主要是对实验数据进行图像化显示以及数据分析和数据记录等，系统结构框图如图2所示。

下位机MCU采用Atmel公司提供的Atmega128L芯片。在本系统中，Atmega128L的工作频率是11.0592MHz，5V的工作电压下的工作电流约为20mA，系统工作电压由稳压电源提供，测温模块通过SPI总线与AVR单片机通讯，下位机与上位机通信采用RS232串口传输。