一種數字式多路溫度檢測系統的設計

宿文玲， 于海宏

（1.黑龍江財經學院，哈爾濱 150025；2.哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

在計量檢測領域，如果想得到準確的檢測結果，除了測量儀器本身的精度以外，檢測時的環境溫度對測量結果的影響也是至關重要，所以檢測時會對計量室環境溫度、被測工件溫度和測量儀器溫度進行明確要求，這就需要測量儀器具備一套溫度檢測系統，可以使操作者在檢測過程中實時監測各項溫度指標。同時，為了進一步提高測量儀器的系統精度，減少溫度對測量結果的影響，高精度測量儀器會利用檢測到的溫度數據，進行溫度補償計算以便對測量結果進行修正，本文就介紹了一種適用于測量儀器的數字式多路溫度檢測系統的設計。

1 總體方案設計

開始具體設計前，分析所設計產品的使用功能需求及特點，確定明確的總體設計方案，能夠使整個設計過程更加順暢、設計目標更加明確，因此在設計初始階段，我們綜合考慮溫度檢測系統的使用條件及功能需求，對比市場上現有溫度檢測系統的優缺點，在總體設計方案中明確這套溫度檢測系統應具備如下功能及特點：1）測量儀器使用時至少需要采集環境溫度、儀器溫度和被測零件溫度3路溫度信號，當需要進行溫度補償時，需要采集的溫度信號更多，因此檢測系統應能夠同時支持至少8路溫度信號的采集處理；2）溫度傳感器應采集精度高且反映靈敏，溫度信號抗干擾能力強、易于計算處理，溫度傳感器工作應穩定可靠、便于安裝，具有一定的防護、不易受損；3）檢測系統與計算機之間可進行實時通訊，通訊接口采用計算機上普遍配置的USB接口和串口，使用者可根據使用條件任選；4）電路板設計應充分考慮可調試性和抗干擾能力。

2 溫度檢測系統的具體設計

依據總體設計方案所制定的設計目標，參考以往研發項目的經驗，可以確認本套溫度檢測系統主要由兩大模塊組成：溫度傳感器模塊和溫度信號采集處理主板模塊。其中信號采集處理主板模塊將負責整個系統主要功能的實現，是本次設計的重點。下面簡要介紹一下這兩大模塊的設計研發過程。

2.1 溫度傳感器模塊設計

溫度傳感器的作用是探測溫度并轉換成可處理的電信號，傳輸給系統處理主板進行處理，常見的溫度傳感器分為接觸式與非接觸式兩大類，因接觸式傳感器與被測物體接觸較緊密，所以相對精度較高，因此本項目中我們將采用接觸式溫度傳感器。通過查閱相關資料我們發現，傳統溫度檢測系統中的溫度傳感器以鉑電阻式模擬信號傳感器為主，雖然這種溫度傳感器精度較高，但使用起來麻煩，需要進行溫度線性校正，模擬量溫度信號若想實現計算與通訊還需設計額外的模數轉換電路，而且模擬量的抗干擾能力也不如數字量信號。考慮到模擬信號溫度傳感器存在的弊端，在查找了相關芯片資料后，我們決定在本設計中采用專用高精度數字式溫度傳感器芯片來制作傳感器模塊，該型號溫度傳感器測量精度可保持在±0.2℃以內，可直接輸出數字式溫度信號，不僅使用方便、易于數據處理與傳輸，工作也更加穩定、功耗更低。

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

2.2 溫度檢測系統信號采集處理主板設計

在本套溫度檢測系統中，所有的溫度傳感器最終都要連接到一塊信號處理主板上，由這塊信號采集處理主板負責對溫度信號進行采集、計算并傳輸給上層電腦進行軟件監測與補償計算，這塊信號采集處理主板是整套系統的核心控制板，下面介紹一下其主要幾個模塊的設計。

1）系統主板核心處理電路設計。系統主板的核心功能是溫度傳感信號的采集、處理以及溫度信號向計算機的傳輸，經過綜合考慮后在本設計中我們選用STC89LC52RC單片機作為處理核心，因為單片機成本低廉，接口及數據采集通道雖數量有限但完全能滿足使用要求，而且單片機的應用技術極成熟、可供參考的資料很多。單片機封裝集成度高，外圍硬件電氣原理圖設計簡單，設計中只需按芯片手冊連接好晶振電路、存儲芯片電路、數據通道電路和單片機復位電路、看門狗電路等基本電路（見圖1），就可搭建起基本的硬件體系。在基本硬件電路設計好后，設計所需實現的各種信號處理計算功能，都可以通過編寫單片機內部固件程序實現，這就使系統功能具備一定的靈活性，可根據不同的使用要求通過修改固件程序進行調整。在開發過程中有效地借助單片機開發板的輔助，使我們在編寫單片機固件程序時事半功倍，節省了大量開發時間。

圖1 單片機電路原理圖

2）溫度信號輸出接口模塊設計。系統主板將溫度傳感器的溫度信號采集處理后，最終還是要傳輸給計算機，由專用軟件進行溫度監控或溫度補償計算，因此主板應具備與計算機的通訊接口。為了使系統具備良好的兼容性，我們最終選用普遍應用的USB接口和串行接口作為通訊接口，用戶可根據使用條件的不同，任選其一進行通訊。在這兩種通訊的功能實現，直接選用專用USB接口芯片和串行信號驅動芯片實現，電路設計簡單且功能可靠穩定。

3）系統主板電源模塊設計。查閱前面設計中所選擇的各個芯片手冊后，確認系統主板需要+5 V和+3 V兩種電源類型，所需的電源種類并不多，而且+5V和+3V電壓相差并不多，完全可以用電源轉換芯片將+5V電源轉換為+3V電源，這樣我們只需給系統主板提供+5V電源即可滿足其所有的電源需求。對于普通的消費類電子產品，在這種情況下通常會選用由計算機的通訊接口（USB或串口）直接獲得+5V電源，這樣可以節省一根專用電源供電電纜。但在綜合考慮測量儀器的使用需求后，我們放棄了這種方案，堅持采用獨立的外部電源供電，因為從計算機接口獲取電源雖然便捷，但計算機接口的帶載能力和穩定性并不出色，對于精密測量儀器來說，可靠的穩定性才是至關重要的。電源電路設計工程中為了進一步提高電源的穩定性，在外部電源接入系統主板后，還設計了專門的電感濾波和電容濾波，串聯可復位保險絲，以保護主板在外部電源電流過大時不至于被燒毀。

4）系統主板PCB電路板設計。利用專用電氣設計繪圖軟件完成主板各個功能模塊的原理圖設計后，下一步開始主板PCB電路板圖的設計。根據以往設計經驗，開始布置PCB板連接導線前，我們按照功能及電子信號的傳輸方向先將各個電氣元件、電氣接口合理布置（見圖2），然后逐根地手動布置連接導線，雖然手動布線沒有設計軟件提供的自動布線功能快捷，但手動布線更加合理、美觀。電源信號和地信號布線進行了加粗處理的同時，整塊PCB電路板雙面都進行了覆銅，以此提高電路板的抗干擾能力。

圖2 PCB板布置圖

3 溫度檢測系統的試制與測試

試樣PCB板制板完成后，按照裝配圖逐一焊接電氣元件，同時觀察記錄在電路板焊接裝配過程中，PCB板是否存在布局不合理或元件封裝不準確導致焊接生產操作困難的問題，以便在后續批量生產中加以改進。溫度傳感器及信號采集處理主板裝配完成后，連接計算機，利用專用溫度監測及溫度補償軟件，針對總體設計方案中的設計目標進行逐條測試，進過反復的調試、修改，最終實現了所有預期的設計功能及精度，尤其溫度補償功能能夠明顯提升測量儀器的整體系統精度。

4 結語

經過對首套樣試溫度檢測系統的實際應用測試，證明該套數字式多路溫度檢測系統完全能夠滿足精密測量儀器對于溫度監測的使用要求，同時配合溫度補償軟件可對精密測量儀器進行精度補償，提高儀器系統精度，這套溫度檢測系統的研發具有很高的實用價值，可廣泛應用于需要溫度檢測功能的各類精密測量儀器。

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