多路温度巡检仪

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查看: 89回复: 2 发表于 2020-1-13 10:45:27   只看该作者
本帖最后由 secret 于 2020-1-13 11:35 编辑

摘要:
本系统用AD590电流型温度传感器对温度、温度差进行了测量和数字显示。利用TI公司OPA2335低温漂精密运算放大器完成电流到模拟电压的转换,从而保证了较高的测量精度。对应的模拟电压用 ICL7107 集成数字表头实现精度0. 1C的数字显示。并采用多路模拟开关、555定时器和编码器完成多路温度巡回检测和定点显示功能。当温度超过设定范围时,还可以进行报警。此系统主要采用模拟电子电路实现,成本低廉,性能稳定,抗干扰性能强,具有较强的实用价值。

1作品简介
该温度巡检仪主要采用模拟电子电路实现。系统中采用线性度较好的温度传感器AD590进行多路温度检测,不仅能将所测的环境温度进行定时巡回数字显示,同时还能巡回显示所测温度与外围当前环境的温度差值,并且显示误差能保证在0.1C之内。本巡检仪可应用于需要对温度实时监控的环境,如温控箱、医院病房、蔬菜大棚和粮仓等场所,具有实际的应用价值具体指标如下:
(1)四路温度数字显示,显示分辨率0.1C.
(2)四路温度遇回、定点和实时显示:
(3)四路测定点温度与外围环境的温度差遇回、定点和实时垦示。
(4)报警功能:上下限温度可任意设定。高于上限温度红色发光二极管亮,低于下限温度,绿色发光二极管亮。
(5)测量温度范围为00100C.
(6)温度误差范围1C内.

2方案设计
2.1方案论证
(1)温度检测单元
方案一:采用热敏电阳或者热电偶作为温度检测元件。热敏电阻精度较高,但需要标准的电阻匹配才能使用。热电偶价格便宜,但精度低,需热端补偿,两者应用时的外围电路复杂,调试麻烦。
方案二:使用一线式温度传感器,但是该传感器的使用是与单片机紧密联合一起的,对于纯模拟电子电路,不适合使用。
方案三:采用AD590 1作为温度传感器,它作为电流型集成温度传感器,在一定的温度范围内,它相当于一个恒流源,不易受到接触、引线电阻、噪声的干扰,能实现较远的距离的传输,并且它的线性特性十分优秀,因此采用方案三进行电路设计。

(2)温度差检测单元
方案一:将两路独立的温度检测单元输出的电玉信号通过减法电路,求出其差值,其电压差值送入显示单元,作为温度差的显示。但任两路温度检测单元电路的元件参数不可能完全一致,误差无法有效地减小。原理示意图见图1。

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方案二:利用一个单元电路同时检测二个温度。让二个AD590芯片工作在同一个放大电路中,利用电流差值得到温度差的测量,此电路搭接方便且利于校准,电路误差较小,故采用方案二。原理示意图见图2。

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(3)数字显示单元
方案一:采用常用的AD转换芯片,将模拟量转换为数字量,进行译码和LED 显示数值。这种方案的外围电路复杂,成本不低,精度不高。
方案二:使用集成数字表头。数字表ICL7107是广泛使用的集成电路芯片,它包括3位2数字A/D转换芯片,可直接驱动数码管。具有自动调零、量程设置等功能。能满足系统显示精度的要求,使用也较为方便。本设计采用方案二。

2.2 理论计算和分析
(1)温度检测单元系统实物见图3,图中运算放大器为ΠI公司的OPA2335[2]芯片。由于温度范围变化较广,对运算放大器的温度特性要求较高。ΠI公司的OPA2335运算放大器为低温漂精密的 CMOS 型放大器,它避免了 FET运放温度每升高10度,电流的温度系数加倍的弊端。OPA2335的失调电压的最大值为5V,零点漂移电压最大值0.05V/C,它适用于温度测量、传感器应用等场合,能够充分满足系统设计要求。

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温度检测电路3原理见图4,具体计算如下:稳压芯片TL431输出电压2.5V,放大器反相输入端电位V≈0,故由基准源提供的电流I为:

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AD590输出电流的灵敏度是1uA/K,摄氏度与绝对温度的关系Κ=T+273.2,因此AD590的电流I,为:

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反馈支路的电流为:

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为使I/=I2-I=T,调节电位计R即可,为了将电流变化转换为电压,调节电位计R可得到放大器输出电压U为:_

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这样将电流信号转换为电压信号,得到10mV/℃C的灵敏度输出。

2)温度差检测单元
温度差检测电路原理见图 5,电路中用运放TLO72把AD590输出的电流差变换为电压,输出的电压为U为:_

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电路中的电位计R,用于校准,当两路的温度相等时,对应电压值为零。与温度差成正比的模拟电压信号,即可送到数字表头进行显示。

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3 系统实现
3.1.1 系统框图

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系统框图见图6。温度检测的电路用电流型的AD590温度传感器,使用TI公司的精密低温漂运算放大器OPA2335将电流信号转换为电压信号,同时可以测定当前外围环境与被检测点的温度的温度差值;由于没有采用单片机,巡回功能采用了 555定时器和分频电路完成;由多路模拟开关选通某一通道,模拟电压信号送入表头数字显示;并作为报警电路的输入信号,当测试点的温度超过设定温度范围时,发光二极管发光,达到报警功能。

3.1.2不同功能单元之间的接口设计
本电路的单元电路较多,功能切换也较麻烦,必须要考虑各功能单元接口问题,采用的方案是继电器完成切换,由于需要同时切换四路功能,仅需将几个继电器的控制信号由一个电平控制即可,控制方便。

3.1.3电路设计
(1)温度检测单元
参考电压电路见图7,温度检测单元需要2.5V的参考电压,采用了TI公司的稳压芯片TL431。因为温度检测时要对不同环境的温度进行测量,这就对稳压芯片的温度特性有较高的要求。TL431 精密可调基准电源的重要特点是:全温度范围内温度特性平坦典型,输出电压噪声低,保证了测量精度。只要滤波电容C电容取值合适,不会使电路出现自激现象。

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温度检测电路原理图见图8。模块采用的是电流型温度传感器AD590,由OPA2335将电流转换为模拟电压,具体原理上面已经计算论证。要进行四路温度巡检,可以采用4个相同的温度检测放大电路,并且由多路模拟开关 CD4051控制各个通道轮流导通,由于OPA2335的输出电流很小,所以 CD4051上输出电阻的影响可以忽略不计,使测量精度得到保证。

(2)温度差检测单元
电路原理见图9,温度差与温度检测一样需要巡检,所以也是由多路模拟开关CD4051控制各路通道的导通。

在实际调试电路时,发现运算放大器TL072 的输出电压与理论计算值有差异,模拟电压信号中出现了很大的纹波信号,经分析是电路中的数字电路和多个继电器工作在开关状态带来的噪声。在运算放大器的反馈电阻上并联一个0.01uF 的电容进行高频滤波,去除高频的纹波和噪声电压,效果很好,精度也得到了保证。_

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(3)巡检及定点温度显示功能
巡回检测控制电路原理见图 10。定时功能采用555定时器构成的多谐振荡器并进行分频实现。定时器内部比较器灵敏度高,振荡频率受温度影响很小,保证定时的精确性,巡检间隔为8秒钟,即8秒从一路巡检到下一路;巡回功能由D触发器将信号分频后控制多路模拟开关 CD4051的地址实现。

定点温度显示:将送入CD4051地址端的信号锁定不变,并直接控制CD4013的R、S端,使CD4051的地址端置位成所需要的通道号即可。_

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(4)报警单元
电路原理见图11,该报警电路根据设定的上下限温度进行报警。设定温度通过分压电位器调节,并可以由数字表头显示设定的电压值,当测量的温度值比上限温度高时,I放大器输出高电平,驱动红色发光二极管发光;当测量温度比下限温度低时,II 放大器输出高电平,驱动黄色发光二极管发光。

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(5)数字显示单元数字显示部分使用的数字表头ICL7107作为显示器件。它是模拟一数字转换的简单低价的一种方法,并且精度满足设计指标。输入电压范围是0mV 01500mV,故量程选+2000mV。

(6)电源滤波及接地在实际电路板设计焊接时,对电源和滤波予以充分考虑。电路中虽没有高频的信号输入输出,但存在数字电路和继电器线圈等,而数字电路的脉冲信号通常是开关信号,这对模拟电路有很大影响,同时模拟电路的电流波动对数字电路也是有影响,因此为保证电源不受其干扰,我们对每个运算放大器的工作电源都进行了滤波,通过与地之间并接一一个100μF电解    电容和1nF的独石电容。数字地和模拟地魔该赐离,处理方式是单点接地,然后数字地和模。
    抵地只有一个很小的点是连在一起。

4作品性能调试与测试分析
4.1系统调试方法
(1)温度检测放大电路调试
将AD590的金属壳都分放入0C的冰水中,调节电位器R。,测量运算放大器OPA2335输出电压为0V:然后将AD590放入诱水中,调节电位器R使运算放大婴OPA2335输出电压为IV,反复调节几次。
(2)温度差检测电路调试
将测温度差的两个AD590保持在同一温度中,调节电位计R。,其放大器7L072输出电压为0V,在不同环境中进行多次调节。
(3)数字表头电路调试
将直:电压2V信号输入到1CL7107组成的数字电压表电路中,调节电位器R,使其输出电压显示为199.9.
(4)逻辑控制电路调试
首先进行肤冲信号调试,将脉冲信号发生器的输出连接到示波器中,观甜输出波形,然后将信号引入计数器中,观测数码管的交化,同时测量模拟开关CD4051输出信号。

4.2 作品测试方法
4.2.1测试仪器
示波器TEKTRONIX TDS I002
直流稳压电源 WD990
微机电游水银温度计数字万用表 UNL-T 39E
秒表一个

4.2.2测试方法
测试方法是以水温作为调量介质,用水银温度计调量菜一时刻的水湿,同时读出系统显示的温度值,记柔数据并进行误差分析。温度差的检测方法同样用水避进行验证,将两个AD590放入不同水温的水中,读出系统星示的温度差值,记录数据:开启温度遭检功能成者定点显示功能,用秒表记录遣回时间:报警电路测试:调节报警电路电位器分别设定上下限温度,对水温升湿或者降温,观测报警是否正常工作.

4.2.3作品测试性能数据
各项功能的测试数据如下,表1为温度检测功能的6组记录数据和误差。

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表2为温度差检测功能的6组数据记录和误差。

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4.3 误差分析
由实验数据的误差可知,系统达到了设定指标的要求。温度检测时,其温度误差在0.62°℃C左右,符合要求。同时观察到在测高温时,温度值稍微偏小,在低温度时相对准确。分析认为其原因是在校准电路时,上限温度是采用100°的沸水进行校正的,但是当时大气压并非标准大气压,使得测得100°温度有一定误差;温度差检测时,误差在0.16°C左右,满足指标要求;巡回时间也能保证在允许误差以内。

5总结与展望
该电路能够准确测量显示温度和温度差,能实现巡回检测和定点温度显示功能,可以报警并且可设定报警温度范围。电路基本是以模拟电子电路构成的,其性能稳定可靠,价格低廉,实用性能较高。

7附录
7.1附录一
作品实物照片:

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7.2 附录二
系统原理电路图:

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巡检通道控制电路图:

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