實用溫度檢測系統的設計與實現

    在工程實踐中，經常需要對系統的溫度進行測量，通常溫度的測量點和處理以及顯示點的距離都比較遠，這時電信號會長距離傳輸．在傳輸的過程中往往會伴隨各種干擾以及信號的衰減問題，這就要求在信號的傳輸中不能採用一般的傳輸方法，必須對線路上的模擬信號採用適當的抗干擾技術．干擾進入採集系統的渠道主要有3條：
1)空間干擾(場干擾)：干擾以電磁波輻射方式進入系統；
2)供電系統的干擾：干擾通過電源通道進入系統；
3)過程通道干擾：干擾通過與主機相聯的前向通道、後向通道及與其他主機的相互通道進入系統．
    一般情況下。干擾都是以脈衝的形式進入系統的．在此系統中。需要對某試驗現場進行溫度測量，要求測量的精度一般，但是測量現場和溫度值的顯示地點有很遠的距離。並且要求測量範圍-40～60 ℃，故前端選用高精度溫度感測器，傳輸通道選用V/I變換，數據顯示和處理選用PC和高性能單片機的設計方案來構建實用溫度測量及顯示系統．

1 系統硬體線路設計
    整個溫度採集系統的設計框圖如圖1
 
下面對每個系統分別進行設計．
1.1 前端採集電路設計
    為了滿足系統的要求，前端溫度採集感測器選用美國半導體公司的高精度溫度感測器LM35，此感測器採用己知溫度係數的基準源作為溫敏元件。晶元內部則採用差分對管等線性化技術，實現了溫敏感測器的線性化，也提高了感測器的精度．與熱敏電阻、熱電偶等傳統感測器相比，具有線性好、精度高、體積小、校準方便、價格低等特點，非常適合溫度的測量工作．它的主要性能指標如下：
1)輸出電壓與攝氏溫度成正比：10.0mV/℃ ；
2)寬溫度測量範圍：-55～150℃ ；
3)寬供電電壓：4～30V；
4)低功耗，一般小於60 uA，自熱溫度小於0.1℃ ．
5)非線性數值：小於±1/4℃．
    為了實現-40～60℃ 的溫度測量，採用LM35的全溫度測量接線方法，具體的接線圖如圖2所示．
 
    圖中：電阻尺的阻值按照R=Vcc/50uA來選擇．電路的輸出電壓 與溫度的線性關係為：
1)環境溫度150℃ ，Vout =1500 mV；
2)環境溫度25℃ ，Vout =250mV；
3)環境溫度-55℃ ，Vout=550mV．
    為了增加驅動能力，在電壓採集端接一跟隨器，得到與溫度對應的電壓值．

1.2 前級信號的就地處理
    由1.1可知，感測器LM35得到的電信號是與攝氏溫度成正比的電壓值，且正負電壓均有，故必須給感測器進行正負電源供電．鑒於電壓的輸出值較小，在線路中傳輸的過程中會有衰減，造成測量誤差，故要對信號的即時進行處理，首先採用信號的放大，將信號放大2倍左右，得到全範圍的電壓信號幅值為-1.1～3 V，由於所測量的溫度範圍是-40～60℃ ．所以，在實際應用電路中的電壓信號的輸出量值在-0.8～1.2 V．同時為了方便下一級的處理，需要將信號進行正負的變換．具體的轉換電路如圖3所示．
    在圖3中，輸入電壓Vin經過運放Ro的判斷後，選擇導通Q1，Q2，當Vin>0時，Q1導通，Vout輸出正的電壓值；當Vin<0時，Q2導通，Vout經過反相器后也輸出正的電壓值．運放Ro的輸出信號可以作為輸入電壓Vin的正負的判斷，為上位機的處理溫度信號的正負提供依據．
 

1.3傳輸通道V/I變換設計
    為了實現信號的長距離傳輸，避免現場干擾，對採集電路得到的電壓值進行V/I(電壓/電流)的變換，在傳輸通道中傳遞電流信號，避免了信號的衰減，提高了信號傳輸的可靠性．V/I轉換選用單片集成信號變送器AD694，AD694內部電路由緩衝放大器、V/I變換、參考電壓源、偏移電流發生器等功能模塊組成，AD694以高抗擾性的特點傳送4～20mA電流信號，它具有如下主要特點：
1)輸入信號有0～2 V和0～10 V 2個基本量程，可供選擇．
2)輸出可提供4～20mA或者0～20mA電流信號．
3)電源電壓範圍較寬(4.5～36 V)，可單電源或雙電源工作．
4)利用緩衝放大器可直接與電流輸出型D/A轉換器連接，構成數字量變換成標準電流信號的介面電路．
5)利用緩衝放大器可重新調整輸入量程，使之能接受幾十毫伏感測器信號．
6)當輸出電流迴路有故障時，可發出報警信號．
    利用AD694進行V/I轉換的電路圖如圖4所示，採用輸入電壓0～2 V，對應的輸出電流為4～20 mA．
 
1.4 數據處理系統設計
    經過AD694后的電流信號可以長距離的傳輸，在數據處理系統中電流信號可以經過一個250 Ω的精密電阻將4～20mA的電流信號轉換成1～5 V的電壓信號，然後通過8位或者12位的A/D轉換器轉換成數字信號後進入單片機系統中．但是這樣設計會引起電路設計繁瑣，為此借用系統中的1台PLC的A/D模塊，直接將4～20 mA的電流信號接入歐姆龍PLC的ADO03模塊上的1個模擬輸入通道，完成AD轉換，由於PLC和上位PC相連，所以PLC轉換后的數值信號可以直接傳送給PC．
    在此系統中，除了將採集到的溫度值在PC機上顯示外，還要用數碼管顯示在經常觀察的地方．為此，在數碼顯示區採用單片機系統，單片機系統用串口通訊與PC機相連．PC將溫度值傳送到單片機上，進而實現數碼顯示．數碼顯示的驅動晶元選用4511．它能實現BCD碼到7段碼的轉換，方便地實現溫度值的數碼顯示．

2 系統軟體設計
    整個系統的軟體主要包括PLC軟體設計、上位PC機軟體設計、單片機顯示軟體設計．PLC軟體設計採用梯形圖編程，在這裡PLC的軟體不是主要討論的內容．上位機PC機軟體設計採用三維力控的組態軟體，主要的程序段是實現PC機和單片機的通訊．在單片機中的軟體採用彙編語言設計，主要功能是實現與PC機的通訊和輸出溫度值，實現溫度的顯示功能．軟體的框圖如圖5．
 

3 系統的調零方法
    在上述系統調試過程中，由於各個器件的兼容性以及器件之間的干擾性，導致實際測量的輸出值和器件手冊的理論值不符．這就要求針對實際的電路進行調零．即找到輸出電流值和對應溫度之間的關係，它的精確與否直接關係到測量的精度．為此，將溫度感測器放置在電熱恆溫箱中，多次測量輸出的電流值，最後採用Matlab進行直線擬合，得到電流和溫度 的線性方程：T=f(N)．最後在PC機上和數碼管上得到精確的溫度值．

4 結束語
    運用上述方法構建的溫度測量系統在實際工程使用中，方便可靠地實現了惡劣環境中的溫度檢測，並實現了溫度信號的長距離傳輸．在低溫情況下運行狀況良好．滿足了系統的要求．