探針式智能溫度控制儀
1 引言
目前工業(yè)化作業(yè)工作溫度非常寬泛，若要準(zhǔn)確測(cè)量溫度需采用智能溫度控制儀。因此，該智能溫度控制儀以熱敏電阻外加恒流源作為溫度傳感器，將溫度信號(hào)以電壓信號(hào)形式采集，經(jīng)放大A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，傳輸至單片機(jī)處理，便得到溫度值，并在數(shù)碼管上顯示。該儀表處理速度快，精度高，應(yīng)用廣泛，諸如高溫熔爐、工業(yè)冶金、水溫測(cè)量等領(lǐng)域。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
圖1為該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖，主要由傳感器、顯示、A／D轉(zhuǎn)換采樣、單片機(jī)控制單元、串口通信、人機(jī)交互等模塊組成。
2．1 傳感器模塊
傳感器模塊采用PT一100型熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而升高，PT-100加恒流源，其測(cè)量溫度范圍受PT一100耐溫的影響．范圍為一50℃～620℃。PT一100是一個(gè)前端為金屬，后端為導(dǎo)線的熱敏電阻，若將其包裹防腐蝕、耐高溫材料，則可將作為探頭探進(jìn)高溫熔爐、低溫冰窖，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。PT-100熱敏電阻自帶兩根導(dǎo)線，將其兩線改成四線制測(cè)量，可有效消除引線電阻(即將傳感器的信號(hào)傳到遠(yuǎn)方二次儀表之間的連接導(dǎo)線或電纜)影響，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。圖2為傳感器前端接口電路，通過調(diào)節(jié)器TL43l給電路中的恒流源提供基準(zhǔn)電壓V-ref為2．49l V(基準(zhǔn)電壓范圍為2．440～2．550 V)。這里選取2．491 V電壓，便于后續(xù)數(shù)字量計(jì)算。將基準(zhǔn)電源接至放大器0P07，為PT-100提供恒流源。
由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的PT一100是無源傳感器，因此需設(shè)計(jì)傳感器接口電路。該接口電路可提供一個(gè)恒流源接入，使阻值轉(zhuǎn)換成電壓值。其恒流值為2．491 V，2．5 kΩ≈1 mA。圖2中R2為精密電阻，能夠提供穩(wěn)定恒流值，無溫漂。并在算法中加入軟件濾波，可將外界干擾降至最低。
2．2 A/D轉(zhuǎn)換器采樣模塊
探針式智能溫度控制儀采樣模塊主要是由基準(zhǔn)器件A／D轉(zhuǎn)換器AD623和AD7705組成，由于所采集的溫度傳感器電壓為毫伏級(jí)，所以需通過具有放大功能的AD623完成，其電壓放大倍數(shù)由RC決定，放大倍數(shù)G=(100 kΩ/RG)+1。由于傳感器輸出電壓為80～320 mV，基準(zhǔn)電壓2．491 V，故選取RG為20 kΩ，則放大倍數(shù)G≈6。經(jīng)運(yùn)放放大，其輸出電壓信號(hào)為0．48～1．92V，完全滿足輸入電壓不高于基準(zhǔn)電壓的要求。圖3為信號(hào)放大電路。
2．3 顯示模塊
如圖4所示，在單片機(jī)和LED顯示之間接入一串入／并出的鎖存器74HC595，驅(qū)動(dòng)LED燈。單片機(jī)I／O接口控制4個(gè)LED數(shù)碼管的位選，利用三極管的飽和、截止特性。數(shù)碼管通過4根位選線與接三極管相連。單片機(jī)I／0接口向移位寄存器逐位移入8位二進(jìn)制數(shù)，在上升沿信號(hào)時(shí)，存儲(chǔ)器移入1位二進(jìn)制數(shù)。存滿后，單片機(jī)控制存儲(chǔ)器輸出8位二進(jìn)制數(shù)，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)數(shù)碼管，這樣可減少單片機(jī)資源消耗。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 溫度算法
圖5為信號(hào)變換框圖，由電阻值可得數(shù)字量，反之單片機(jī)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器采樣的數(shù)字量進(jìn)行處理，可通過公式2．5×(數(shù)字量／65．536)計(jì)算輸入的模擬電壓值，逆推出電阻值。由于熱敏電阻PT-100阻值與溫度具有分段接近線性的特征，并參考PT一100阻值與溫度的對(duì)照表，將溫度值每10℃分作一組與對(duì)應(yīng)電阻值求其斜率，可根據(jù)單片機(jī)采樣的數(shù)字量計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。
3．2 程序流程設(shè)計(jì)
圖6為該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程，其子程序包括數(shù)模轉(zhuǎn)換、按鍵中斷、電阻值線性變換等。智能溫度控制儀采用VB編寫上位機(jī)程序，主板和上位機(jī)串口連接，通過上位機(jī)觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且不受存儲(chǔ)范圍限制。VB程序通過MSComm控件與下位機(jī)串口連接，并將采集的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，進(jìn)而儲(chǔ)存在硬盤中。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將上位機(jī)采集的數(shù)值存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)，經(jīng)整理得出如表1所列結(jié)果，該智能溫度控制儀采用軟件濾波、延時(shí)去抖等方法顯示程序，使溫度值穩(wěn)定顯示，其數(shù)據(jù)顯示測(cè)量誤差不超過1％，則可用于那些對(duì)環(huán)境和精度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。
5 結(jié)論
在惡劣環(huán)境下，探針式智能溫度儀表能夠準(zhǔn)確測(cè)量溫度。在保證單片機(jī)及其各器件正常工作的情況下．探針式的溫度傳感器能夠測(cè)量熔爐、冰洞等惡劣環(huán)境下的溫度。這種對(duì)外界要求不太高的溫度傳感器，可將其與中央處理單元分開使用，無需考慮溫度控制儀工作環(huán)境是否影響主板工作。
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