摘 要：热导仪是一种通过测定宝石热传导能力来鉴别钻石真伪的电子仪器。目前使用的全模拟电路设计的热导仪，在测量精度和智能化程度等方面均不尽人意。所以，我们尝试设计一种全新的数字化、智能化自动检测的热导仪，本文中简要介绍该仪器的硬件和软件设计及其特点。
关键词：热导仪； A/D转换； 数字化； 汉字液晶显示；
一、引言
热导仪是一种测定宝石热传导能力的电子仪器，它依据钻石具有极佳的导热性能而专门研制的，用于鉴别钻石和各种仿冒品。由于其性能奇特，操作简便，体积小便于携带，大大提高人们识别钻石的能力和速度。在钻石鉴别工作中已成为首选的专门仪器，是珠宝检测部门必不可少的常规设备之一。在市场上能够买到的这种产品多数为日本制造，自从它于上世纪八十年代初问世以来一直沿用至今，到今天其性能已经逐渐不能满足宝玉石鉴定的要求，主要表现在如下几个方面：
1、仪器采用全模拟电路设计，通过加热的热电偶探针测定宝石传热性能，使用分成12个等级的LED发光二极管，通过其点亮数目的多少来区别是否为钻石。显然测试结果只用12个LED来显示，其显示精度和灵敏度较差；
2、热传导性是物质的一种基本属性，各种物质都具有自已的导热能力，各种宝石亦有自己的导热能力，只要相互间有一定的差距，就存在用导热能力来进行鉴别的可能性。许多宝玉石专家尝试用热导仪测定其他宝玉石的导热性能，但由于目前热导仪的精度所限，结果都不是很理想，这使热导仪使用功能的拓展受到局限；
3、鉴别结果尚需对照查表，仪器的自动化程度不高；
4、对于新出现的像莫桑石这种比钻石热导率更高的介质，是当时热导仪设计者所未考虑的问题。
鉴于上述原因，综合宝玉石专家的意见，我们尝试设计一种全新的新一代数字化、智能化自动检测的热导仪。
二、新一代数字化热导仪的设计
1、硬件电路设计
新一代数字化热导仪采用的是嵌入式单片微机的自动检测显示控制系统。选用Philips公司低功耗的P87LPC767为主控的MCU；利用加热探针和热电偶来检测被测介质的导热性能；通过对该检测信号的处理和放大，将其引入MCU；再使用P87LPC767在片的8位A/D将模拟信号数字化；通过单总线数字温度计实时测定环境温度；综合检测到的导热参数、实时温度和输入设定的介质大小进行运算和判断，最后通过液晶显示器显示测试结果及相关提示信息。仪器原理框图如图1所示,整个硬件电路有如下及部分组成。
1.1电源电路
整个电路由9V电池供电，主要由稳压二极管D4提供加热体Heater供电，并由此引出整个电路的直流供电电压Vcc和GND（如图2所示）。
为了保障功放的质量，要给两级功放提供对称的正负基准电压，电路中采用LM317和IC7660SCPA构成基准电压电路(如图3所示)。LM317 是三端可调串联集成稳压器。LM317的输出电压范围是（＋1.2V）至 （＋37V），负载电流最大为 （＋1.5A）。其线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。另外,它还内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
IC7660芯片是单块CMOS集成供电电路，它将正电压转换成为负电压，根据型号不同其转换的范围为＋1.5V到＋12.0V。
单片机P87LPC767采用3.3V低电压供电,故选用具有微型处理器复位功能电源芯片TPS7333，它是一种low-dropout（LDO）电压调节器（如图4所示）。
1.2功率放大
采集通道采用两级的集成运放对来自热电偶的模拟电信号进行放大。s1，s2引入热电偶的检测信号，通过高精度仪表放大器AD620作为第一级放大，为其配置了专用的电源基准，提供了对称的正负电源，从而保证了放大倍数和精度。第二级采用了OP07，它有很高的开环增益和很低的温漂，并且它的输入阻抗很高，对于时间和温度的变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况下，输出值都相当的准确、稳定（如图5所示）。
1.3 主控芯片MCU及A/D转换
我们选用了PHIlips公司的低功耗单片机P87LPC767，它采用的是增强型80C51MCU，其运行速度是标准80C51的2倍。其内部集成了1个A/D转换器2个模拟比较器和2个D/A转换器。
P87LPC767带有一个四通道8位A/D转换器，四个P0口引脚可选择作为A/D转换输入。由于器件管脚有限A/D转换的电源和参考电压与MCU共用Vcc和Vss 。A/D转换器最低可工作在3.0V。A/D转换器电路包括一个4输入模拟多路开关选择器和一个8位逐次逼近ADC，A/D还带有一个比率电位计以保证DAC的单调性。
1.4汉字液晶显示器
输出显示部分选用了RT12232F型号的汉字液晶显示器，显示界面采用全中文。TR12232F是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器；它主要由行驱动器/ 列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成；可完成图形显示,也可以显示7.5×2个(16×16点阵)汉字，与外部CPU接口采用并行或串行方式控制，在本设计中我们采用串行方式控制。
1.5数字温度计
设计中选用1-Wire总线的数字温度计DS18B20可以方便的给出每次测量时的温度值，为确定物质的种类提供了必要的实时环境温度参数（如图6所示）。
2、软件程序设计
硬件电路设计完成后，我们设计制作了印刷电路，并编制了相应的监控程序。采用模块化程序设计方法，整个程序由若干子程序组成。软件程序基本结构如图7所示。
2.1、主程序：主要完成对三个按键的扫描，按下选择键可分别进入设置状态或检测状态，按下复位键可使系统复位。
2.2、设置子程序：在设置状态下按下设置键可循环设置存储被测宝石介质的大小（分成小于0.05克拉、0.05～0.5克拉和大于0.6克拉三档）。
2.3、导热系数检测子程序：在检测状态通过巡回启动A/D检测被测介质的导热性能，测定数据采用十次测量取平均值的方法，以保证测量的可靠性。
2.4、环境温度检测子程序：采用定时中断方式，通过启动DS18B20数字温度计实时测定环境温度并存储。
2.5、运算子程序；将测定的导热系数、环境温度和被测介质的大小，通过建立的数学模型进行综合运算，采用查表方法确定被测介质的种类，并数字化的给出一个反映该介质导热系数的参数。
2.6、LCD子程序：采用中断方式定时调用，以实时更新显示，采用全中文方式测量结果，主要包括：介质的种类名、导热性能参数值和实时的环境温度等。
三、系统特点
硬件电路设计完成后，我们设计制作了印刷电路板，并编写了相应的监控程序，现已研制出试验样机一台。其已具备的主要功能有：
①、对被测介质的导热性能进行自动检测，可用0～255的数字量进行显示。现有热导仪只能区别12档的不同显示，因而测试精度大大提高。
②、可以对测试的环境温度进行自动测量并显示测量结果。
③、综合测得的导热参数、环境温度和输入的大小信息，通过数学模型进行运算得出测试结论，并采用液晶显示器，实现了测试结果和提示信息的全中文直接显示，无需再对照查表。
新开发的数字化热导仪不但可以高灵敏性地鉴别钻石的真伪，并且还可以测试其他宝玉石的导热性能，可为宝玉石的种类鉴别提供宝贵的参考数据。另外，仪器设计中还采用了I2C总线、1-Wire总线及数字温度计等先进技术。另外，据我们掌握的情况，新一代数字化热导仪的研究开发工作在国内外尚无先例，所以，此项研究工作具有一定的开创性。我们开发的试验样机具有体积小、重量轻、智能化、数字化、全中文显示等优点，相信它具有一定的市场潜力。
四、结语
试验样机研制成功后，我们用它对钻石、蓝宝石、水晶、托帕石、翡翠、软玉、岫石及蛇纹石玉等多种宝玉石进行了测试。测试结果表明：新研制的热导仪可以测试不同宝玉石的导热性能，并可全中文数字化地显示测试结果。但综合数学模型的建立，必须需要有大量的测试数据支撑，限于目前的开发阶段，所测得的数据量尚显不足，数学模型还有赖于我们在今后的工作中，通过大量的测试数据进一步的优化。本课题的研究得到了中国地质大学（北京）科学基金的资助，还得到了中国宝玉石协会吴国忠教授等给予的指导和帮助，在此一并表示谢意。
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