溫度安全檢測實驗裝置系統設計

趙志峰，劉 杭，何雨軒

（西安石油大學 電子工程學院，西安 710065）

0 引言

由于中國經濟的發展和加強教育質量的要求，對于實驗的需求越來越重要。為了達到培養學生的創新意識，提高其工程綜合應用能力的目標，并根據安全專業特色，研制一套溫度安全檢測傳感實驗裝置。由于實驗室檢測要求精度高且反應迅速，而且實驗裝置需要不復雜適合學生操作，所以選擇K 型熱電偶作為本系統的溫度傳感器[1]。K型熱電偶具有價格便宜，生產方便，性能優越，輸出信號穩定，結構簡單等優點，而且測溫范圍在0℃～1600℃之間，滿足實驗室液體溫度檢測的大多數需要。根據安全工程專業實驗設計對溫度檢測的需求，本系統主要由控制柜、加熱坩堝爐和溫度檢測裝置構成，主要可以實現對液體溫度進行檢測，設定目標溫度值并對液體進行加熱等功能。

1 系統的總體設計

本系統設計是基于AT89C51 單片機芯片的液體溫度檢測系統，如圖1 所示。其主要組成部分包括電源電路、按鍵電路、溫度采集模塊、AT89C51 芯片、顯示模塊、加熱電路。溫度采集模塊主要由A/D 轉換模塊、K 型熱電偶溫度傳感器、信號調理電路構成，主要是把液體溫度通過溫度傳感器檢測出來，并通過信號調理電路和A/D 轉換模塊把溫度傳感器傳出的模擬量轉化為數字量并傳輸到AT89C51 芯片中；按鍵電路主要是通過按鍵對目標溫度值進行調節設定；電源電路主要是對系統中各個模塊進行供電；AT89C51 芯片主要是對整個系統進行邏輯運算和判斷，對整個系統進行控制；加熱電路主要是由固態繼電器和電加熱器構成，主要是對被檢測的液體進行加熱；顯示模塊主要是通過LED 顯示屏把實際檢測溫度和設定的目標溫度值顯示出來。

圖1 溫度檢測系統總體設計圖Fig.1 Overall design of temperature detection system

2 溫度檢測系統硬件設計

溫度檢測系統的實物裝置主體部分主由加熱裝置和控制裝置構成，加熱裝置主要由電熱坩堝爐、不銹鋼保護筒壁組成，控制裝置主要由溫度顯示屏、控制按鍵、信號調理電路、指示燈組成，加熱裝置和控制裝置之間通過電源線、信號傳輸線、液體輸送管道進行連接。熱電偶溫度傳感器安裝在電熱坩堝爐外側，方便對檢測對象進行準確檢測，同時在坩堝爐與筒壁之間采用隔溫材料對坩堝爐的溫度進行隔絕，防止加熱裝置燙傷實驗人員。控制裝置通過信號調理電路和信號傳輸線跟溫度傳感器進行連接，溫度傳感器的信號通過轉換之后傳給單片機芯片，經過邏輯運算之后實現對檢測對象的加熱和溫度數值的數值輸出與顯示。

2.1 溫度檢測電路設計

溫度檢測功能主要是通過溫度傳感器、A/D 轉換模塊和信號調理電路這些線路實現[2]。

在本測溫裝置的測溫元件采用的是K 型熱電偶傳感器，其測溫檢測范圍在0℃～700℃。在測溫過程中，傳感器產生電壓最大只達到29mV，這就遠遠小于A/D 轉換模塊的輸入電壓，所以需要通過調理電路把傳感器產生的微弱電動勢進行放大[3]。信號調理這部分的電路主要分成兩個部分：第一部分采用AD595 芯片對電壓的數量級進行放大，第二部分通過OP07 芯片[4]把電壓調至A/D 模塊需求電壓的范圍之內，溫度檢測電路如圖2 所示。

圖2 溫度檢測電路圖Fig.2 Temperature detection circuit diagram

液體溫度所檢測的溫度范圍要求為0℃～700℃，考慮到溫度檢測精度和裝置制作成本等原因，A/D 模塊類型考慮采用串行式，所以最后采用MAX1241 芯片來轉換信號。

2.2 加熱電路的設計

加熱電路主要由加熱器、繼電器和其它相關電路構成，考慮到電阻式加熱器穩定、簡單且易實現，符合實驗室液體加熱的所有要求，所以加熱器選用電阻式加熱器。加熱器由承裝液體的坩堝容器和加熱電阻絲組成，電阻絲在坩堝容器的底部鋪有兩層，呈圓環形狀。這樣有利于對坩堝內的液體均勻加熱。繼電器主要是用來控制加熱器對液體加熱的啟停，在溫度數值比設定數值小時，繼電器會傳出高電壓，此時加熱電路會被連通，開始對液體進行加熱；當溫度數值不比設定數值小時，繼電器輸出低壓電平，這個時候加熱電路不導通，加熱電路不工作。

2.3 顯示與按鍵系統的設計

系統的顯示電路主要是通過共陽極數碼管和相關電路實現的，主要作用是把被測液體的溫度值及時傳遞給實驗人員，通過數碼顯示屏把檢測溫度值和設定溫度顯示出來，方便實驗人員能實時對液體溫度進行監測，能夠防止出現裝置內溫度加熱過高而出現危險情況[5]。

在系統中按鍵的作用主要是改變被測液體的加熱溫度值，就是通過設立兩個按鍵實現被測液體溫度值改變。這兩個按鍵分別是對溫度數值進行加和減操作，這樣就可以通過改變溫度數值來加熱被測液體，觀察和檢測不同溫度下液體的性質。

2.4 電源電路設計

電源電路設計主要是為了解決系統中各種元器件所需電壓不同的問題。本實驗裝置各級電路主要需要+5V、+15V、-15V 的電平[6]。+5V 分別是給單片機芯片、顯示電路、繼電器、A/D 轉換電路供電，+15V 主要是給調理電路供電，-15V 是用來給OP07 芯片提供能量[7]。

3 溫度檢測系統軟件設計

溫度檢測系統軟件設計的程序框圖如圖3 所示。首先要對系統進行初始化和對按鍵進行設置[8]，當這些完成之后執行溫度采集功能和液體加熱功能，同時顯示設定溫度和被測液體實際溫度，再把兩個溫度進行對比。如果實際溫度值小于目標溫度時，系統持續加熱直到實際溫度值等于目標溫度值時，停止加熱[9]。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flowchart

4 系統仿真與裝置實物

4.1 系統仿真

系統仿真通過protues 軟件進行。整個系統的元器件連接和電路搭建都在其中完成，整個系統的邏輯控制和功能實現都通過keil 編寫程序實現，然后系統的控制程序通過keil 軟件進行編寫，最后導入到protues 中進行仿真。為了方便仿真，在軟件仿真過程中把數碼管簡化到了一個，在屏幕中前3 位是實驗人員通過按鍵進行設定的目標溫度值，后面3 位顯示傳感器檢測出液體溫度值。圖4 和圖5 分別表示目標加熱溫度為50℃和實際檢測到液體溫度為34℃的情況。

圖4 目標溫度值50℃Fig.4 Target temperature value 50℃

圖5 實際溫度34℃Fig.5 Actual temperature 34℃

4.2 溫度檢測裝置實物展示

圖6為液體溫度檢測裝置的實物圖，在完成仿真確定方案可行之后，將溫度檢測裝置制作出來。其主要有兩部分控制柜和加熱爐，通過加熱爐對液體進行加熱，通過控制柜可以對加熱目標溫度進行控制和顯示檢測到液體的實際溫度，并通過液體溫度檢測裝置進行簡易的實驗。由于液體危險化學品獲取麻煩而且實驗中會具有一定的危險性，所以將水作為被測對象。在圖6 中可知水剛開始的溫度是21℃，通過一段時間的加熱之后，達到了37.5℃。

圖6 溫度檢測系統實物圖Fig.6 Physical diagram of temperature detection system

5 結論

本次溫度檢測裝置主要以AT89C51 單片機為主控核心，結合K 型熱電偶溫度傳感器設計了溫度檢測電路，采用繼電器控制電阻式加熱器啟停的方式來對液體進行加熱，使用液晶顯示屏對系統中的溫度數值進行顯示，使用按鍵對液體的目標溫度進行設定。電源電路主要是對系統內部各個元器件進行不同電壓等級的供電，通過在proteus 軟件上對系統的硬件電路進行搭建和在keil 軟件上對系統的控制程序進行編寫[10]，并進行仿真檢驗系統軟硬件方案是否可行，最后制作出溫度檢測裝置的實物。在實際中，用水作為檢測對象進行實驗，實驗表明該裝置操作簡單，檢測精確，能完美適應實驗室對于液體溫度檢測的需求。