姜 翌(沈阳工业大学) 胡庆伦 (沈阳国际工程咨询中心)
摘 要 本文介绍一种便携式小型电脑控制多点测温系统,它适用于室内和室外环境下各种多点温度的测量。系统选用PN结温度传感器,可同时测取16个温度信号,经数据处理后可实时显示、打印或控制。文章给出了系统工作原理,电路的设计要点及调试情况。实验表明,该系统具有用途广泛、性能可靠、测量准确、实时性强、操作方便等优点。
关键词:多点测温 PN结温度传感器 单片机
一、引 言
依据我国目前社会和经济发展的水平,研制一种能在室内和室外环境下工作,价格便宜、便于携带、操作简便、性能可靠和技术先进的小型多点测温系统,是很必要的。本文给出的这种小型测温系统就是基于上述思想而研制的,选用不同结构的传感器,可以适应各种不同的多点测温需要,如工作环境空间的多点温度测量,系统或物体内部多点温度的测量等等。
二、系统设计
本测试系统的工作条件是按一年四季在露天下工作考虑的,环境温度变化大,要求测温仪便于携带,操作简便,还需要自带直流供电电源。
对于分散在不同地点的测温对象,可以分组设置温度传感器,每16个传感器为一组,通过插头插在仪器的输入插口上。经过模拟开关,每次采样一组16个温度信号,再经过模数转换后存入数据存储器中。根据所设计的存储器容量,最多可采集并存储100组即1600点的温度数据。采集的数据再进行数据处理后,可以随时由液晶显示器显示或由微型打印机打印出任何一组和点的温度数值,其原理框图如图1所示。下面简述部分电路的设计要点。
1.传感器及温度补偿电路
传感器选择的好坏是整个测试系统能否达到设计要求的关键。本系统采用半导体PN结温度传感器,它具有价格低、灵敏度高、线性好、重复精度高和一致性好等优点。
16个传感器的温度信号经16转1模拟开关4067依次传送到缓冲放大级U2,如图2所示。为保证PN结温度传感器有较好的线性特性,由运算放大器U1和晶体管T1组成恒流源对传感器提供稳定的直流电流偏置。对于测温仪器来说,还有一个极为重要的问题就是温度漂移。由于本系统要能够在露天环境下工作,环境温度变化范围很大,温度漂移就更加严重。所以必须采取有效的温度补偿措施,以保证所要求的测量精度和工作稳定性。实测表明,本系统的温度漂移主要来自模拟开关。经过反复测试分析,我们认为,采用参考源VR中基准稳压电路LM336的可变温度特性来补偿模拟开关的温度漂移效果最好,而且不需要增加很多电路,简单易行而且可靠。
2.模数转换电路和数据存储电路
采集到的温度数据需要经过模数转换后才能进行数据处理。模数转换器的位数要由温度测量范围和测量精度或分辨率决定,我们采用ADC 0804八位模数转换器,这一电路通过改变缓冲与放大电路的电压放大倍数和参考电压Vref/2,可以很方便地进行量程校准。
经过模数转换和数据处理后的温度数据存放在存储器中。为节省主电源(可充电电池),在一组数据采集完毕后,可以关闭主电源,而由辅助电源保护存储器中的数据。
3.其它电路
(1)显示电路 本机分辨率为0.5℃,测量范围为-50℃～50℃。显示器最少应有6位,显示温度值用3位,正负号用1位,显示组号(兼显示点号)用2位。我们采用8位液晶显示器组成数据显示器。
(2)主电源电路 主电源是用4节5号可充电电池。在测量操作中,仪器由电池供电,但电池的电压会逐渐下降,为保证测量精度,在电池后边接入稳压电路。这里采用低压差的集成稳压块LM2931T,可以允许电池电压有较大的变化范围(1V以上)。这样,在一次充电后可保证仪器连续工作8个小时以上。
(3)主电源低电平检测电路 本机采用如图3所示的电压比较电路,适当的选择电阻R2和R1的分压比,使电池电平下降到某一适当低限数值时比较器翻转,由CPU驱动液晶显示器中的一个段位,作为电平低限报警显示。
(4)键控电路 仪器面板上设置“选组+”,“选组-”,“采样”,“显示”和“打印”5个控制键。当按下“选组+”或“选组-”键时,在当前组号上加1或减1,并立即显示新当前组号。按下“采样”键,则采下当前连接在传感器插口上的一组16个传感器温度数据并存入存储器中与当前组号对应的区段内。按住“显示”键,则连续的顺序显示当前组内16个点的点号和温度数值,当显示到某一点时抬起“显示”键,则显示器的数据停留在这一点上不再变化。在微型打印机连接在仪器上时,按下“打印”键,微型打印机便打印出当前组内的16个温度数据。
三、测 试
整机置于恒温箱中通电试验,在规定的环境温度范围内改变恒温箱的温度,实测某一固定温度(例如冰水温度),仪器指示误差未超过±0.5℃,其它各项参数和功能均达到设计指标的要求,准备选择一个适当的场合进行现场运行试验。
参考文献
1 牛德芳.半导体传感器原理及其应用,大连理工大学出版社,1993.
2 李 华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社,1993.
