基于EDA技術(shù)的熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

胡景勤

摘要：為了加強熱高溫工作環(huán)境的對外對內(nèi)的安全監(jiān)控防范功能，設(shè)計了一種基于EDA技術(shù)的熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)。以單片微控制器為核心，采取Pt熱線性電阻的多點采溫方式;利用Multisim13對熱溫信號調(diào)理系統(tǒng)進行仿真分析，實現(xiàn)了三線制電橋的平衡補償和三級線性負反饋放大功能;對前后工作平臺，通過紅外探測、語音播報、按鍵控制等進行雙向安全檢測。對系統(tǒng)測試分析，其熱溫度檢測精度為0.5，非線性度為0.5%，能實時顯示溫度和安全監(jiān)控，達到高精度溫度安全監(jiān)控設(shè)計目的，可用于家庭、商場、生產(chǎn)車間等亟須高溫安全監(jiān)測區(qū)域。

關(guān)鍵詞：單片微控制器;EDA技術(shù);熱電阻Pt100;熱溫信號調(diào)理系統(tǒng);熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TN92? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）03-0101-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

在日常的生活生產(chǎn)實踐中，溫度是一個反映人們身體健康與環(huán)境安全的重要指標(biāo)，體現(xiàn)在對熱溫度的感知、監(jiān)測和控制等應(yīng)用方面，其關(guān)鍵在于怎樣搭建一個高精度的自動熱溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)?；贓DA技術(shù)的熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)，其主要研究目標(biāo)和方法是通過建立熱溫度感知模型，對熱溫度的傳感測量特性進行深入分析，再對信號進行線性補償和差分放大調(diào)理;利用Multisim軟件，對系統(tǒng)進行仿真分析和標(biāo)定靜動態(tài)特性，以檢驗和提高溫度測量的精確度;以微處理器驅(qū)動控制紅外探測、語音提醒、溫度控制，實現(xiàn)自動前臺預(yù)警和后臺安全監(jiān)控功能。

2 熱溫度采集電橋電路設(shè)計

多路熱溫傳感系統(tǒng)[1]，采用同等規(guī)格的鉑熱電阻模型，它在1200℃以下范圍內(nèi)，都具有精度高、穩(wěn)定性好及很強的耐氧化性能等。進行多點溫度采集，利用金屬熱電阻值與溫度的近似線性關(guān)系，把溫度變化轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電阻變化，選擇合適的測量范圍組成串聯(lián)或并聯(lián)電路，能有效地提高測量精度和靈敏度，通過傳感從而獲得全面精準的溫度信息。

當(dāng)采集熱溫度時，由于選擇元器件、零點溫度及線路連接方式，導(dǎo)致了溫度傳輸?shù)姆蔷€性。通過選擇線性元件、電橋平衡和使用范圍，進行零點補償、溫度補償、結(jié)構(gòu)補償、線性化補償?shù)仍O(shè)計，可以最大限度地改善非線性和降低內(nèi)外干擾噪聲。

在實際測量中，鉑熱電阻感溫元件，采用如圖1所示的三線制補償電橋 [2]， Rt 為熱電阻，R1、R2和R4為橋臂電阻，r為未標(biāo)出的對稱分布的補償引線電阻，Rw1為調(diào)零電位器，Rt要與3個橋臂等距離連接，可以最大幅度地減小引線電阻的溫度漂移影響，能同時實現(xiàn)零點平衡調(diào)節(jié)、溫度補償和線性轉(zhuǎn)化功能。

在Rw1接入電流計，調(diào)節(jié)Rw1值，改變電阻分配比，使檢流計G示值為零，說明電橋達到平衡。采用并聯(lián)電阻調(diào)平法，引入中間橋接電阻R3，R3越小可調(diào)節(jié)范圍越大。當(dāng)設(shè)置橋臂比R1/R2=1時，有最大的靈敏度，熱電阻值與引入導(dǎo)線電阻無關(guān)，使電路得到溫度補償。

3 熱溫監(jiān)測信號調(diào)理系統(tǒng)

高精度的熱溫監(jiān)測信號調(diào)理系統(tǒng)[3]，是由熱電傳感器的敏感元件、轉(zhuǎn)換單元、信號調(diào)理模塊和電路供電電源等構(gòu)成的，各部分協(xié)同實現(xiàn)對熱溫度的感知、監(jiān)測和控制等功能，利用Multisim軟件建立仿真模型對系統(tǒng)進行深入分析研究。

3.1 熱溫監(jiān)測信號調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計

熱溫信號調(diào)理系統(tǒng)是，由鉑熱電阻采集溫度，經(jīng)熱電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，對電壓信號進行線性放大，并選擇輸出經(jīng)溫度調(diào)制的電壓信號。采用熱電橋電路，易實現(xiàn)多點溫度采集，可靈活設(shè)計零點補償環(huán)節(jié)，具有從熱溫電阻到電壓線性轉(zhuǎn)化的高穩(wěn)定性。采用對稱差分放大的負反饋電路，可以抑制共模干擾、提高放大倍數(shù)和線性度。采用多級逐漸放大電路，電路具有緊密的跟隨性，選擇輸出實時監(jiān)測信號，降低了動態(tài)溫度測量誤差。在熱溫度采集電橋基礎(chǔ)上，如圖2所示為高精度信號處理系統(tǒng)[4]。采用三級漸進式線性放大電路，對輸入的電橋輸出電壓信號調(diào)理。其中Bridge為熱電阻感溫電橋的輸出電壓端，Power 為運放電路的穩(wěn)壓供電電源。

采用運算放大器，它是一種線性化、高增益、低溫漂的電壓差動放大器，所選OP07是一種低失調(diào)、低噪聲、高增益的雙極性運算放大器，適用于對熱溫電阻傳感器的微弱信號放大。輸入放大級，采用兩個運算放大器，構(gòu)成同向輸入并聯(lián)差分放大，在兩個反向端接入調(diào)節(jié)電阻Rw2，調(diào)節(jié)Rw2電阻值可以改變放大倍數(shù)。中間放大級，采用一個對稱的差動輸入的比例放大器，同時對等改變負反饋電阻值，可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。輸出放大級，采用反向的比例放大器，在反向端接入調(diào)零電阻Rw3。

3.2 熱電阻測溫系統(tǒng)綜合分析

利用Multisim13.0軟件，對于整個的熱溫度監(jiān)測及信號調(diào)理系統(tǒng)進行仿真分析，確定各個元器件的特性參數(shù)[5]，以達到線性補償和線性放大的傳輸轉(zhuǎn)化監(jiān)測目的。

在0～1000C范圍內(nèi)，選擇標(biāo)稱熱電阻Pt100，即00C阻值R0=100Ω，建立三線制的電橋仿真模型。選取直流電源電壓V1=5V，利用V2壓控?zé)犭奟t，壓阻轉(zhuǎn)換靈敏度為1Ω/V， Pt100的熱溫壓控電阻轉(zhuǎn)換關(guān)系為Rt=R0（1+At+Bt2），A=3.9684×10-3/0C，B= -5.847×10-7/0C 2。

在00C時，設(shè)置橋臂電阻值比為1，使靈敏度最大。調(diào)節(jié)電阻Rw1，設(shè)置電位器的%增量，按電阻調(diào)節(jié)鍵A，使調(diào)節(jié)電阻Rw2為最大值，再調(diào)節(jié)Rw3對測溫放大電路調(diào)零。在1000C滿量程時，調(diào)節(jié)電阻Rw2和負反饋電阻，輸出10V滿量程電壓。

從溫度T（V2模擬替代）、對應(yīng)溫度的Pt100的熱電阻值Rt，轉(zhuǎn)換為輸出電壓V（23） ，經(jīng)過電橋采集、零點與滿量程調(diào)節(jié)、線性補償放大后，整個系統(tǒng)具有良好的線性補償與放大轉(zhuǎn)換的傳輸特性。

4 熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)測試分析

熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)，具有實時顯示溫度、安全監(jiān)測、溫控報警等功能。在通過LCD顯示測量溫度后，當(dāng)有人出現(xiàn)在探測范圍內(nèi)時會發(fā)出語音提示，當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍時會發(fā)出報警信號，從而實現(xiàn)安全監(jiān)控和確保生產(chǎn)所需溫度。

4.1 熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

以熱溫安全監(jiān)測主框架規(guī)劃、組裝和測試模塊功能，如圖3所示為系統(tǒng)運行流程圖[6]。熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)，以STC89C52單片微處理器為控制核心，其具有8K字節(jié)Flash閃存的低耗高性能特點。

利用多點溫度采集的熱電阻Pt100，它在較寬大的溫度范圍內(nèi)，具有良好的熱溫電阻的線性關(guān)系，與外圍電子元器件匹配，焊接熱溫度高精度信號調(diào)理電路[7]。由AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集模擬溫度信號，采用LCD1602液晶模塊可以實現(xiàn)快速驅(qū)動、高清顯示當(dāng)前溫度。采用E18-D80NK紅外探測傳感器，具有發(fā)射與接收一體化，經(jīng)障礙物反射調(diào)制入射光信號，可探測距離2-80cm，角跨度為110度，有延時功能避免干擾信號影響，在設(shè)定范圍內(nèi)準確判斷有無過路人。在檢測到有行人時，利用ISD1760語音模塊，具有靈活運行模式、可重復(fù)擦寫、可調(diào)采樣頻率等完善的語音系統(tǒng)功能，可提供良好的語音播報品質(zhì)。利用按鍵模塊，可調(diào)節(jié)音量、亮度和溫度范圍，當(dāng)超出溫度設(shè)定范圍時，會同時聲光報警，驅(qū)動溫控裝置工作，如加熱器或風(fēng)機，實現(xiàn)安全溫度運行環(huán)境。

4.2 熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)測試分析

在單片機微控制下，主要從采集和顯示溫度、播報提醒語音、聲光報警及其溫度調(diào)節(jié)控制等進行性能測試分析。

對熱溫度高精度采集系統(tǒng)，以加熱保溫容器作為被測熱溫工作源，把熱電阻PT100插入其中央測量溫度。如表1所示，在0～10V與0～100 oC滿量程下，獲得的熱電阻輸入輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，并對獲得實驗數(shù)據(jù)進行處理分析。由最小二乘法，可得到擬合直線為Uo = 0.0991T+0.0523，U為對應(yīng)溫度T的擬合電壓值。計算其系統(tǒng)電壓靈敏度Ku =0.0991V/oC，零點漂移ΔUo = 0.0523，非線性度γL=0.05/10=0.5%，熱電阻監(jiān)測系統(tǒng)精度為0. 5，表明能達到高精度溫度檢測設(shè)計目的。

對熱溫安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要測試近距離檢測行人、前臺語音提醒播報、后臺溫度安全監(jiān)控等工作性能[8]。結(jié)合E18-D80NK紅外探測傳感器特性，設(shè)定檢測距離范圍，兩個檢測閾值點，即SL=2cm、SH=80cm，一個判斷延時點t=3s。先設(shè)定語音內(nèi)容，如“您已進入高溫環(huán)境、當(dāng)前工作環(huán)境溫度為、請檢測當(dāng)前工作溫度是否正?！保€有溫度值音節(jié)“將0～9、十、點、度”;再利用ISD1760語音模塊進行多次語音錄制、播放或擦除操作，獲得良好的語音效果。采用四個并聯(lián)按鍵結(jié)構(gòu)，分別為開關(guān)控制、設(shè)置閾值、升高溫度、降低溫度，把溫度控制在安全工作范圍內(nèi)。如表2所示為熱溫安全檢測系統(tǒng)性能測試數(shù)據(jù)表，表明系統(tǒng)能正常運行。

5 結(jié)束語

基于EDA技術(shù)的熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)研究，以單片微控制器為核心，主要設(shè)計和實現(xiàn)了對熱溫度的實時監(jiān)測、高精度傳輸和安全監(jiān)控功能。采用標(biāo)稱Pt熱電阻的多點最近接觸的感溫方式，它在較大的范圍內(nèi)熱電阻隨溫度作線性變化。熱溫信號調(diào)理系統(tǒng)，采用具有平衡補償功能的三線制輸入電橋，采用三級線性放大電路，經(jīng)同向輸入并聯(lián)差分放大、對稱輸入的反饋放大、反向的比例放大;利用Multisim13繪制熱溫監(jiān)測仿真系統(tǒng)，由電壓V等比例模擬溫度T，進行參數(shù)掃描分析確定合適的元器件參數(shù)，進行傳遞函數(shù)分析與直流掃描分析，確保了輸入與輸出之間存在良好的線性傳輸特性。熱溫安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過AD轉(zhuǎn)換、紅外探測、語音播報、按鍵控制等，實現(xiàn)溫度顯示與控制、前臺預(yù)警與后臺監(jiān)控的雙向安全檢測保障功能。對熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)進行測試分析，其熱溫度檢測的高精度值為0.5，良好的非線性度值為0.5%，能實時顯示和實現(xiàn)前后臺的安全監(jiān)控，達到高精度溫度安全監(jiān)控設(shè)計目的，可用于家庭、商場、生產(chǎn)車間等需要高溫度安全監(jiān)測區(qū)域。

參考文獻：

[1] 趙振宇，白潔，馮浩.鉑電阻型溫度傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計[J].微電機，2019，52（4）：75-78.

[2] 賈超，蔡杰，熊朝暉.不同傳熱方式下溫度傳感器動態(tài)特性研究[J].計量學(xué)報，2020，41（5）：563-566.

[3] 文明軒，李玨，王成，等.高精度溫度傳感、測量與控制技術(shù)綜述[J].中山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，60（S1）：146-155.

[4] 梁麗.基于EDA技術(shù)的電子線路設(shè)計的改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（2）：100-103，116.

[5] 穆元彬，楊悅梅，吳炎潔.基于Multisim的負反饋放大電路性能研究[J].工業(yè)控制計算機，2019，32（1）：155-157，159.

[6] 陶冶，楊喜娟.基于LabVIEW和Linux的嵌入式溫度儀[J].儀表技術(shù)，2019（9）：37-39.

[7] 仇士玉.一款單片機的聲光報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（12）：158-159.

[8] 楊照坤，黃高祥，鄭秀宏.一種語音播報系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2021，50（4）：203-205.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】