一種數(shù)字式多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宿文玲， 于海宏

（1.黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院，哈爾濱 150025；2.哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域，如果想得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，除了測(cè)量?jī)x器本身的精度以外，檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響也是至關(guān)重要，所以檢測(cè)時(shí)會(huì)對(duì)計(jì)量室環(huán)境溫度、被測(cè)工件溫度和測(cè)量?jī)x器溫度進(jìn)行明確要求，這就需要測(cè)量?jī)x器具備一套溫度檢測(cè)系統(tǒng)，可以使操作者在檢測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)溫度指標(biāo)。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高測(cè)量?jī)x器的系統(tǒng)精度，減少溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，高精度測(cè)量?jī)x器會(huì)利用檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算以便對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，本文就介紹了一種適用于測(cè)量?jī)x器的數(shù)字式多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

開(kāi)始具體設(shè)計(jì)前，分析所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用功能需求及特點(diǎn)，確定明確的總體設(shè)計(jì)方案，能夠使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程更加順暢、設(shè)計(jì)目標(biāo)更加明確，因此在設(shè)計(jì)初始階段，我們綜合考慮溫度檢測(cè)系統(tǒng)的使用條件及功能需求，對(duì)比市場(chǎng)上現(xiàn)有溫度檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，在總體設(shè)計(jì)方案中明確這套溫度檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能及特點(diǎn)：1）測(cè)量?jī)x器使用時(shí)至少需要采集環(huán)境溫度、儀器溫度和被測(cè)零件溫度3路溫度信號(hào)，當(dāng)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，需要采集的溫度信號(hào)更多，因此檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能夠同時(shí)支持至少8路溫度信號(hào)的采集處理；2）溫度傳感器應(yīng)采集精度高且反映靈敏，溫度信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、易于計(jì)算處理，溫度傳感器工作應(yīng)穩(wěn)定可靠、便于安裝，具有一定的防護(hù)、不易受損；3）檢測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間可進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，通訊接口采用計(jì)算機(jī)上普遍配置的USB接口和串口，使用者可根據(jù)使用條件任選；4）電路板設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮可調(diào)試性和抗干擾能力。

2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

依據(jù)總體設(shè)計(jì)方案所制定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，參考以往研發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，可以確認(rèn)本套溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：溫度傳感器模塊和溫度信號(hào)采集處理主板模塊。其中信號(hào)采集處理主板模塊將負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)，是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。下面簡(jiǎn)要介紹一下這兩大模塊的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程。

2.1 溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)

溫度傳感器的作用是探測(cè)溫度并轉(zhuǎn)換成可處理的電信號(hào)，傳輸給系統(tǒng)處理主板進(jìn)行處理，常見(jiàn)的溫度傳感器分為接觸式與非接觸式兩大類(lèi)，因接觸式傳感器與被測(cè)物體接觸較緊密，所以相對(duì)精度較高，因此本項(xiàng)目中我們將采用接觸式溫度傳感器。通過(guò)查閱相關(guān)資料我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度傳感器以鉑電阻式模擬信號(hào)傳感器為主，雖然這種溫度傳感器精度較高，但使用起來(lái)麻煩，需要進(jìn)行溫度線(xiàn)性校正，模擬量溫度信號(hào)若想實(shí)現(xiàn)計(jì)算與通訊還需設(shè)計(jì)額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，而且模擬量的抗干擾能力也不如數(shù)字量信號(hào)?？紤]到模擬信號(hào)溫度傳感器存在的弊端，在查找了相關(guān)芯片資料后，我們決定在本設(shè)計(jì)中采用專(zhuān)用高精度數(shù)字式溫度傳感器芯片來(lái)制作傳感器模塊，該型號(hào)溫度傳感器測(cè)量精度可保持在±0.2℃以?xún)?nèi)，可直接輸出數(shù)字式溫度信號(hào)，不僅使用方便、易于數(shù)據(jù)處理與傳輸，工作也更加穩(wěn)定、功耗更低。

溫度傳感器芯片選型完成后，還需對(duì)其進(jìn)行封裝，使溫度傳感器具有一定防護(hù)能力、不易受損，而且還要便于安裝，同時(shí)對(duì)傳感器的封裝還不能影響傳感器對(duì)被測(cè)溫度的探測(cè)靈敏性。綜合考慮后，我們采用具有良好導(dǎo)熱特性的純銅材質(zhì)制作傳感器封裝，用絕緣膠將溫度傳感器封裝在純銅殼體內(nèi)，根據(jù)傳感器安裝位置的不同，封裝殼體制成圓柱形、扁平型兩類(lèi)，殼體上留有螺釘孔或鑲嵌磁體以便于傳感器與被測(cè)部位可靠接觸。

2.2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集處理主板設(shè)計(jì)

在本套溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，所有的溫度傳感器最終都要連接到一塊信號(hào)處理主板上，由這塊信號(hào)采集處理主板負(fù)責(zé)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算并傳輸給上層電腦進(jìn)行軟件監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償計(jì)算，這塊信號(hào)采集處理主板是整套系統(tǒng)的核心控制板，下面介紹一下其主要幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。

1）系統(tǒng)主板核心處理電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主板的核心功能是溫度傳感信號(hào)的采集、處理以及溫度信號(hào)向計(jì)算機(jī)的傳輸，經(jīng)過(guò)綜合考慮后在本設(shè)計(jì)中我們選用STC89LC52RC單片機(jī)作為處理核心，因?yàn)閱纹瑱C(jī)成本低廉，接口及數(shù)據(jù)采集通道雖數(shù)量有限但完全能滿(mǎn)足使用要求，而且單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)極成熟、可供參考的資料很多。單片機(jī)封裝集成度高，外圍硬件電氣原理圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中只需按芯片手冊(cè)連接好晶振電路、存儲(chǔ)芯片電路、數(shù)據(jù)通道電路和單片機(jī)復(fù)位電路、看門(mén)狗電路等基本電路（見(jiàn)圖1），就可搭建起基本的硬件體系。在基本硬件電路設(shè)計(jì)好后，設(shè)計(jì)所需實(shí)現(xiàn)的各種信號(hào)處理計(jì)算功能，都可以通過(guò)編寫(xiě)單片機(jī)內(nèi)部固件程序?qū)崿F(xiàn)，這就使系統(tǒng)功能具備一定的靈活性，可根據(jù)不同的使用要求通過(guò)修改固件程序進(jìn)行調(diào)整。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中有效地借助單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的輔助，使我們?cè)诰帉?xiě)單片機(jī)固件程序時(shí)事半功倍，節(jié)省了大量開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖1 單片機(jī)電路原理圖

2）溫度信號(hào)輸出接口模塊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主板將溫度傳感器的溫度信號(hào)采集處理后，最終還是要傳輸給計(jì)算機(jī)，由專(zhuān)用軟件進(jìn)行溫度監(jiān)控或溫度補(bǔ)償計(jì)算，因此主板應(yīng)具備與計(jì)算機(jī)的通訊接口。為了使系統(tǒng)具備良好的兼容性，我們最終選用普遍應(yīng)用的USB接口和串行接口作為通訊接口，用戶(hù)可根據(jù)使用條件的不同，任選其一進(jìn)行通訊。在這兩種通訊的功能實(shí)現(xiàn)，直接選用專(zhuān)用USB接口芯片和串行信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且功能可靠穩(wěn)定。

3）系統(tǒng)主板電源模塊設(shè)計(jì)。查閱前面設(shè)計(jì)中所選擇的各個(gè)芯片手冊(cè)后，確認(rèn)系統(tǒng)主板需要+5 V和+3 V兩種電源類(lèi)型，所需的電源種類(lèi)并不多，而且+5V和+3V電壓相差并不多，完全可以用電源轉(zhuǎn)換芯片將+5V電源轉(zhuǎn)換為+3V電源，這樣我們只需給系統(tǒng)主板提供+5V電源即可滿(mǎn)足其所有的電源需求。對(duì)于普通的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，在這種情況下通常會(huì)選用由計(jì)算機(jī)的通訊接口（USB或串口）直接獲得+5V電源，這樣可以節(jié)省一根專(zhuān)用電源供電電纜。但在綜合考慮測(cè)量?jī)x器的使用需求后，我們放棄了這種方案，堅(jiān)持采用獨(dú)立的外部電源供電，因?yàn)閺挠?jì)算機(jī)接口獲取電源雖然便捷，但計(jì)算機(jī)接口的帶載能力和穩(wěn)定性并不出色，對(duì)于精密測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)，可靠的穩(wěn)定性才是至關(guān)重要的。電源電路設(shè)計(jì)工程中為了進(jìn)一步提高電源的穩(wěn)定性，在外部電源接入系統(tǒng)主板后，還設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的電感濾波和電容濾波，串聯(lián)可復(fù)位保險(xiǎn)絲，以保護(hù)主板在外部電源電流過(guò)大時(shí)不至于被燒毀。

4）系統(tǒng)主板PCB電路板設(shè)計(jì)。利用專(zhuān)用電氣設(shè)計(jì)繪圖軟件完成主板各個(gè)功能模塊的原理圖設(shè)計(jì)后，下一步開(kāi)始主板PCB電路板圖的設(shè)計(jì)。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)始布置PCB板連接導(dǎo)線(xiàn)前，我們按照功能及電子信號(hào)的傳輸方向先將各個(gè)電氣元件、電氣接口合理布置（見(jiàn)圖2），然后逐根地手動(dòng)布置連接導(dǎo)線(xiàn)，雖然手動(dòng)布線(xiàn)沒(méi)有設(shè)計(jì)軟件提供的自動(dòng)布線(xiàn)功能快捷，但手動(dòng)布線(xiàn)更加合理、美觀。電源信號(hào)和地信號(hào)布線(xiàn)進(jìn)行了加粗處理的同時(shí)，整塊PCB電路板雙面都進(jìn)行了覆銅，以此提高電路板的抗干擾能力。

圖2 PCB板布置圖

3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的試制與測(cè)試

試樣PCB板制板完成后，按照裝配圖逐一焊接電氣元件，同時(shí)觀察記錄在電路板焊接裝配過(guò)程中，PCB板是否存在布局不合理或元件封裝不準(zhǔn)確導(dǎo)致焊接生產(chǎn)操作困難的問(wèn)題，以便在后續(xù)批量生產(chǎn)中加以改進(jìn)。溫度傳感器及信號(hào)采集處理主板裝配完成后，連接計(jì)算機(jī)，利用專(zhuān)用溫度監(jiān)測(cè)及溫度補(bǔ)償軟件，針對(duì)總體設(shè)計(jì)方案中的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行逐條測(cè)試，進(jìn)過(guò)反復(fù)的調(diào)試、修改，最終實(shí)現(xiàn)了所有預(yù)期的設(shè)計(jì)功能及精度，尤其溫度補(bǔ)償功能能夠明顯提升測(cè)量?jī)x器的整體系統(tǒng)精度。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)首套樣試溫度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，證明該套數(shù)字式多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)完全能夠滿(mǎn)足精密測(cè)量?jī)x器對(duì)于溫度監(jiān)測(cè)的使用要求，同時(shí)配合溫度補(bǔ)償軟件可對(duì)精密測(cè)量?jī)x器進(jìn)行精度補(bǔ)償，提高儀器系統(tǒng)精度，這套溫度檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)具有很高的實(shí)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于需要溫度檢測(cè)功能的各類(lèi)精密測(cè)量?jī)x器。

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