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(qiáng)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(jì)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(diǎn)采溫方式;利用Multisim13對熱溫信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)了三線制電橋的平衡補(bǔ)償和三級線性負(fù)反饋放大功能;對前后工作平臺(tái)，通過紅外探測、語音播報(bào)、按鍵控制等進(jìn)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(shí)時(shí)顯示溫度和安全監(jiān)控，達(dá)到高精度溫度安全監(jiān)控設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)理系統(tǒng);熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN92? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）03-0101-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

在日常的生活生產(chǎn)實(shí)踐中，溫度是一個(gè)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(gè)高精度的自動(dòng)熱溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)。基于EDA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(jìn)行深入分析，再對信號(hào)進(jìn)行線性補(bǔ)償和差分放大調(diào)理;利用Multisim軟件，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和標(biāo)定靜動(dòng)態(tài)特性，以檢驗(yàn)和提高溫度測量的精確度;以微處理器驅(qū)動(dòng)控制紅外探測、語音提醒、溫度控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)前臺(tái)預(yù)警和后臺(tái)安全監(jiān)控功能。

2 熱溫度采集電橋電路設(shè)計(jì)

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(qiáng)的耐氧化性能等。進(jìn)行多點(diǎn)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(zhǔn)的溫度信息。

當(dāng)采集熱溫度時(shí)，由于選擇元器件、零點(diǎn)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(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)補(bǔ)償、線性化補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)，可以最大限度地改善非線性和降低內(nèi)外干擾噪聲。

在實(shí)際測量中，鉑熱電阻感溫元件，采用如圖1所示的三線制補(bǔ)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(bǔ)償引線電阻，Rw1為調(diào)零電位器，Rt要與3個(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)平衡調(diào)節(jié)、溫度補(bǔ)償和線性轉(zhuǎn)化功能。

在Rw1接入電流計(jì)，調(diào)節(jié)Rw1值，改變電阻分配比，使檢流計(jì)G示值為零，說明電橋達(dá)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(shí)，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(bǔ)償。

3 熱溫監(jiān)測信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

高精度的熱溫監(jiān)測信號(hào)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(hào)調(diào)理模塊和電路供電電源等構(gòu)成的，各部分協(xié)同實(shí)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(jìn)行深入分析研究。

3.1 熱溫監(jiān)測信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱溫信號(hào)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(hào)，對電壓信號(hào)進(jìn)行線性放大，并選擇輸出經(jīng)溫度調(diào)制的電壓信號(hào)。采用熱電橋電路，易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采集，可靈活設(shè)計(jì)零點(diǎn)補(bǔ)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(fù)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(shí)時(shí)監(jiān)測信號(hào)，降低了動(dòng)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(hào)處理系統(tǒng)[4]。采用三級漸進(jìn)式線性放大電路，對輸入的電橋輸出電壓信號(hào)調(diào)理。其中Bridge為熱電阻感溫電橋的輸出電壓端，Power 為運(yùn)放電路的穩(wěn)壓供電電源。

采用運(yùn)算放大器，它是一種線性化、高增益、低溫漂的電壓差動(dòng)放大器，所選OP07是一種低失調(diào)、低噪聲、高增益的雙極性運(yùn)算放大器，適用于對熱溫電阻傳感器的微弱信號(hào)放大。輸入放大級，采用兩個(gè)運(yùn)算放大器，構(gòu)成同向輸入并聯(lián)差分放大，在兩個(gè)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(gè)對稱的差動(dòng)輸入的比例放大器，同時(shí)對等改變負(fù)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(gè)的熱溫度監(jiān)測及信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，確定各個(gè)元器件的特性參數(shù)[5]，以達(dá)到線性補(bǔ)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(shí)，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(shí)，調(diào)節(jié)電阻Rw2和負(fù)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(diǎn)與滿量程調(diào)節(jié)、線性補(bǔ)償放大后，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的線性補(bǔ)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(shí)時(shí)顯示溫度、安全監(jiān)測、溫控報(bào)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(shí)會(huì)發(fā)出語音提示，當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而實(shí)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(yùn)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(diǎn)。

利用多點(diǎn)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(hào)調(diào)理電路[7]。由AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集模擬溫度信號(hào)，采用LCD1602液晶模塊可以實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動(dòng)、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(hào)，可探測距離2-80cm，角跨度為110度，有延時(shí)功能避免干擾信號(hào)影響，在設(shè)定范圍內(nèi)準(zhǔn)確判斷有無過路人。在檢測到有行人時(shí)，利用ISD1760語音模塊，具有靈活運(yùn)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(bào)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(shí)，會(huì)同時(shí)聲光報(bào)警，驅(qū)動(dòng)溫控裝置工作，如加熱器或風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)安全溫度運(yùn)行環(huán)境。

4.2 熱溫安全監(jiān)測系統(tǒng)測試分析

在單片機(jī)微控制下，主要從采集和顯示溫度、播報(bào)提醒語音、聲光報(bào)警及其溫度調(diào)節(jié)控制等進(jìn)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(jì)表，并對獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算其系統(tǒng)電壓靈敏度Ku =0.0991V/oC，零點(diǎn)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(dá)到高精度溫度檢測設(shè)計(jì)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(tái)語音提醒播報(bào)、后臺(tái)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(gè)檢測閾值點(diǎn)，即SL=2cm、SH=80cm，一個(gè)判斷延時(shí)點(diǎn)t=3s。先設(shè)定語音內(nèi)容，如“您已進(jìn)入高溫環(huán)境、當(dāng)前工作環(huán)境溫度為、請檢測當(dāng)前工作溫度是否正常”，還有溫度值音節(jié)“將0～9、十、點(diǎn)、度”;再利用ISD1760語音模塊進(jìn)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(gè)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(yùn)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(jì)和實(shí)現(xiàn)了對熱溫度的實(shí)時(shí)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(diǎn)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(hào)調(diào)理系統(tǒng)，采用具有平衡補(bǔ)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(jìn)行參數(shù)掃描分析確定合適的元器件參數(shù)，進(jìn)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(bào)、按鍵控制等，實(shí)現(xiàn)溫度顯示與控制、前臺(tái)預(yù)警與后臺(tái)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(jìn)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(shí)時(shí)顯示和實(shí)現(xiàn)前后臺(tái)的安全監(jiān)控，達(dá)到高精度溫度安全監(jiān)控設(shè)計(jì)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。

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