复合木质地板采暖因具有环保清洁、热效高、节省空间、热力均匀等优点(董旭娟等，2016)，受到了众多关注。目前，国内外学者对复合木质地板的导热性能研究较多(徐德良等，2014；林铭等，2013；陈瑞英等，2005；Vay et al., 2013)，鲜见对其蓄热性能的报道。在其他材料的蓄热性能检测中，多对潜热型和化学反应储能等均质材料进行研究(徐治国等，2014；房丛丛等，2011)，通常采用水浴法采集相变前后及化学反应前后的能量释放量。复合木质地板是非均质材料，内部由管胞、导管、木纤维、轴向薄壁组织和木射线组成，且各向异性，如果用水浴法测量其蓄热性能，当水浸入样品内部时，会使管胞或导管膨胀形成绝缘层，内部热量很难传出，导致测量结果不准确。基于此，课题组提出了一种地采暖地板蓄热性能密闭空间检测方法，即将一定温度的被测样品推送至具有一定初始温度的狭小绝热密闭空间，传感器阵列群实时记录密闭空间内温度场变化，并存储到实时数据库中。当被测样品热量扩散到绝热密闭空间且温度平衡时，由密闭空间容积、初始温度和平衡温度，通过比热容公式即可计算出被测样品在特定初始温度绝热密闭空间内温度达到平衡时所释放出的热量。在此过程中，为了确保所得蓄热性能的准确性，需要实时准确、检测出密闭空间内温度场的变化。铂热电阻具有稳定性好、测量范围广等优点，在以往温度监测研究中Pt100铂热电阻传感器得到了广泛应用(苏威等，2007)，其测温原理是光将电阻变化转换为模拟信号，然后再将模拟信号转换为数字信号，最终由处理器换算出对应的温度(梁波等，2012)。但是这种传统的测温系统需要模数转换硬件及电路、门电路等，且每个传感器至少需要3根线，电路实现异常复杂且体积庞大，无法在绝热密闭空间内部安装。

此外，在传统探空温度传感器检测中，横梁尾流热流动会引起测量误差。为减小这一误差，周悦等(2016)提出一种基于热电偶阵列的探空温度传感器，减小了尾流热污染误差，对于太阳辐射所产生的误差也小于传统热敏电阻传感器，但该传感器阵列电路极其复杂且体积相当庞大，仅适用于大尺寸的探空中。杨杰等(2016)提出一种阵列式温度传感器，通过计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)方法(陈福振等，2014；蒋亦民等，2013；冒晓莉等，2014)对其在不同太阳辐射强度、气流速度等条件下进行数值计算，采用遗传算法对计算结果进行拟合，以减小太阳辐射升温引起的气温观测误差，但在传感器选型时，使用铂热电阻温度传感器探头，温度采集耗费时间长，且电路体积庞大。在生物信息检测领域中，柔性电阻阵列传感器应用普遍(Mattar，2013)，但由于检测单元之间隔离程度不好引起检测单元之间相互干扰(靳小强等，2012)，传感器阵列检测精度不高。宋念龙等(2010)研制了一种新型基于红外传感器阵列的智能温度传感器，用于空气预热器的热点检测，此传感器采用红外传感阵列结构和双单片机系统、双总线结构，电路结构更加复杂化，在狭小的设备内部无法实现。

由此可见，以往所研究的传感器阵列都有其各自的局限性，无法应用到木质地板蓄热性能检测中。为实时、精确采集木质地板蓄热性能检测仪密闭绝热空间内的数据，本研究提出一种木质地板蓄热性能温度场实时并行采集方法，以期为木质地板蓄热性能检测奠定理论和实践基础。

1 系统硬件结构 1.1 密闭绝热空间

密闭绝热空间外观为圆柱形，由上盖、检测间、温度控制箱和底座4部分组成，如图 1所示。密闭空间腔体为桶状结构，内外两侧壁中间抽真空，腔体上、下边缘处设计成凹槽结构，以保证上盖和温度控制箱的严密咬合，侧面开有70 mm×30 mm的方孔，用于试件进入。

在密闭绝热空间内部布设传感器阵列，共安装150个温度传感器。采用柱坐标方式，将密闭绝热空间分为2部分，每部分将空间划分为75个单位小空间。在每个单位小空间内安装微型温度传感器，使每个单位小空间内相应的柱坐标赋予温度属性。温度传感器阵列分为上、下2部分，上部分传感器阵列温度数据采集系统记为A，下部分传感器阵列温度采集系统记为B。每3个温度传感器焊接到一条PCB板上，然后垂直安装到传感器基板上，即每3个传感器接入微处理器的一个I/O口。

1.2 系统结构设计

系统控制核心选用STC15系列单片机，由150个美国达拉斯公司的DS18B20芯片作为梯度空间温度传感器组成传感器阵列并构成数据采集模块，RS-232为串口通信模块。上位机通过总线分时采集系统A和B的实时温度，并存储在数据库中，控制系统实时显示密闭空间内的温度，其结构如图 2所示。

2 传感器阵列设计

考虑快捷方便及体积要求，选用DS18B20数字温度传感器，通过单总线直接读取被测区域空间的实时温度，上位机可对其直接进行读取操作。

2.1 DS18B20时序分析

DS18B20数据的完整性由单总线协议确保，复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1组成单总线协议。除存在脉冲外，其他信号全部由总线控制器发出。

在初始化时，总线先靠控制器拉低，发出复位脉冲，复位脉冲至少持续480 μs，然后总线被释放，直至DS18B20做出回应后总线重新回归高电平。上升沿被DS18B20测得后，DS18B20等待15~60 μs，接着总线又一次被DS18B20拉低，发出存在脉冲，存在脉冲持续60~240 μs。至此，初始化时序完成，初始化时序如图 3所示。

写时序有2种：一是写时序1；二是写时序0。逻辑1和0分别由写1时序和写0时序写入DS18B20中。写时序耗时至少60 μs，在60 μs内包含写1周期和写0周期中间总线所需要的恢复时间，且不少于1 μs。写时序从数据线由高电平变为低电平时开始，DS18B20对I/O采样在15~60 μs之间进行，若线上是高电平，则写1；若线上是低电平，则写0。写时序如图 4所示。

读时序与写时序的工作状态相差无几，同样包含60 μs的一个周期、读1和读0之间不少于1 μs的间隔，根据释放总线后总线所处位置判断是读1时序还是读0时序。读时序如图 5所示。

DS18B20收到“44H”指令后进行温度转换，将温度置于RAM的第1、2地址，DS18B20延迟约900 ms。DS18B20收到“55H1q”指令后，控制器发出的序列号与之相同序列的DS18B20进行匹配，整个匹配过程在10 ms之内得以实现。

2.2 传感器阵列布局

温度传感器空间位置沿同心圆分布，如图 6所示。每层同心圆半径r分别为0、25、50和75 mm，同心圆圆心与柱坐标圆心的距离分别为20、40和60 mm。温度传感器按同心圆半径由小到大排列，数目分别为1、4、8和12个，每层有25个温度传感器。通过柱坐标(r, β, z)可以唯一确定每个传感器的空间位置。柱坐标方程为：

$ r = \sqrt {({x^2} + {y^2})} ; $

(1)

$ \beta = {\rm{ta}}{{\rm{n}}^{ - 1}}\left({\frac{y}{x}} \right); $

(2)

$ z = z。$

(3)

式中：x={0, 25, 50, 75}，y={0, 25, 50, 75}，z={20, 40, 60}，β∈[0, 2π]，Δβ= [π/2, π/4，π/8，π/12]，β=β+Δβ。

2.3 传感器阵列构建

DS18B20的每一步操作都要遵循工作时序，读写一位二进制数一定要按对应的要求进行。1根数据线即可完成DS18B20与主机之间的通信，主机通过读写子函数完成数据的传输或命令的发送，且都是一位一位进行的。经通信协议和读写时序，主机即可对DS18B20进行操作，通过对读入的数据处理后，可显示或者发送控制其他器件指令，使测温系统得以实现。

传统多点测温大多采用在1根数据线上串连多个DS18B20的电路形式，完成其中1个DS18B20操作包括一系列步骤，实现对1个器件的操作大约耗时1 s，实时性太差(图 7)。为解决传感器阵列群实时性问题，本研究首先将传感器阵列分为上、下2个板块，每个板块上有75个传感器，然后将每个板块上的75个传感器再分成25组，每3个传感器(DS18B20)并联在1根总线上，并连接在控制器的一个I/O端口上，使采样周期大大缩短(图 8)。

并行方法主要体现在2方面：一是并行采集A基板中25组75个传感器的信息和B基板相同组数传感器的信息，使信息采集的数量在形式上减少一半，从而使采样周期缩短；二是A和B基板并行向各自所在组的传感器发送温度转换指令。从第一个传感器到最后一个传感器发送转换指令所用时间使得第一个传感器完成温度的转换，因此转换指令发送完成后即可读取第一个传感器温度，以此类推便采集到每个基板的所有传感器温度。由于是并行过程，因此所有传感器温度转换过程都在90 ms内完成，从而采集150个传感器数据的过程仅用了采集一个传感器温度所需时间。

本研究目的是为了节省数据采集的时间开销，其核心是使多个器件“同时”进行操作(并行)，所以将传感器阵列分为上、下2个板块，各75个传感器，将3个DS18B20器件连接在1根总线上。由于DS18B20在时序上有严格要求，即在一定弹性范围内，使得3个DS18B20的时序细节上达到一致。利用单片机的并行端口同时对所有器件进行操作，每个并行端口上各个端口连接3个器件，这样只需考虑查询3个器件操作所耗时多少即可。为了使查询3个DS18B20的耗时更短，可以通过函数改变3个器件的操作时序，即主机MCU对3个器件依次发送复位脉冲指令，紧接着3个器件依次发送应答脉冲启动转化命令，之后3个温度传感器进行温度转换并将数据保存其内存中，最后主机发送温度同时读取命令。这种工作方式使得3个传感器几乎同时工作，因为应答和传输数据消耗极少时间，缩短了采样周期。

3 系统程序设计

如图 9所示，首先对DS18B20进行复位，然后发送跳过ROM命令，接着发送温度同时转换命令，最后发送温度同时读取命令。DS18B20进行读取操作，通过读暂存器9字节和CRC校验是否正确，最终读出所测温度，完成测温系统工作。

4 实测结果

木质地板蓄热性能温度场实时并行采集方法分2步实现：首先将绝热密闭空间温度调至规定的初始温度，即达到测试条件；然后将加热后的试件推送至密闭空间内进行测试。选取的试件有柞木(Quercus mongolica)、白橡木(Quercus alba)、印茄木(Merbau)、柚木(Tectona grandis)和榆木(Ulmus rubra)树种的弦切面实木地采暖地板。

传感器阵列在密闭绝热检测腔体内安装完成后，需要对该系统的性能进行试验验证，以确保系统能够准确测量出密闭绝热检测腔体内温度场的变化。本研究选择同类样品试件进行10次试验，以验证系统检测的实时性和准确性；同时也对不同样品试件进行测试。

选择柞木样品10种，尺寸为95 mm×60 mm×15 mm。绝热密闭空间初始温度调至20 ℃，试件初始温度为70 ℃。测试结果如表 1所示，传统传感器阵列采集时间取10次试验中的最小值，本研究提出传感器阵列采集时间取10次试验中的最大值。由表 1可知，木质地板蓄热性能温度场实时并行采集方法最大采集时间为2.4 s，小于传统传感器阵列的采集时间(150 s)，同类样品10次试验误差为2%，准确率为98%。

为确保传感器阵列对不同样品试件都能做出准确、快速的测量，分别对白橡木(95 mm×65 mm×15 mm)、印茄木(100 mm×65 mm×18 mm)、柚木(95 mm×60 mm×11 mm)、榆木(90 mm×60 mm×12 mm)各10个样品进行测试。所有试件初始温度均为70 ℃，绝热密闭空间初始温度调至25 ℃，结果如表 2所示。

由表 2可知，木质地板蓄热性能温度场实时并行采集方法数据采集时间为2.4 s，温度采集精度达到±0.1 ℃，测试结果准确率达到98%。

5 结论

本研究提出的温度传感器阵列采集系统充分利用了控制器I/O口的驱动能力，极大缩短了多点温度信息采集时间，上位机查询150个DS18B20操作仅需2.4 s，实现了系统的最优实时性。密闭绝热空间温度传感器阵列检测方法能够在最短时间内采集温度场的变化状况，为实时、准确测量非生物质材料蓄热性能提供了一种科学的分析方法和精确的测量仪器。DS18B20是一款性能优良、使用方便、一致性好的智能集成数字温度传感器，由其构成的多点温度测量系统具有测量精度高、稳定性好、结构简单、配置灵活、成本低廉、容易扩展且抗干扰性强等特点，在大范围温度多点监控系统中具有十分广阔的应用前景。