基于PT100的風(fēng)機(jī)水簾控制系統(tǒng)集成設(shè)計

韋 琳,王云亮,嚴(yán) 謹(jǐn),別業(yè)廣,凃玲英

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430068;2.湖北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,湖北 武漢 430068)

在很多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們對于溫度都有著極為嚴(yán)格的要求，測量并控制溫度已成為必須重視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.溫度的測量能夠通過常用的溫度傳感器來實現(xiàn)，一般情況下溫度傳感器會將溫度信號轉(zhuǎn)換為其他易于被人們所采用的信號[1].風(fēng)機(jī)水簾比傳統(tǒng)的空調(diào)的功耗低很多，是一種環(huán)保高效的降溫策略[2].而在溫度控制方面，常規(guī)的溫控系統(tǒng)可分為恒值溫度控制和動態(tài)溫度跟蹤兩種類型.恒值溫度控制將某區(qū)域的溫度保持在一定范圍內(nèi)，動態(tài)溫度跟蹤是控制某區(qū)域的溫度按照一定的程序來變化，而溫控系統(tǒng)中的溫度傳感器又可分為接觸式和非接觸式[3].文中研究的是接觸式的恒值溫度控制系統(tǒng)，采用PT100作為溫度傳感器，用LCD1602液晶屏來顯示檢測區(qū)域當(dāng)前的溫度，通過繼電器間接控制降溫設(shè)備和報警器的工作狀態(tài)[4].

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計要求

系統(tǒng)通過PT100溫度傳感器檢測目標(biāo)區(qū)域的溫度并將其顯示在屏幕上，由于文中針對的應(yīng)用場景是夏季的大型工廠車間，其檢測范圍通常為-10～50 ℃，考慮到空間范圍較大，可能存在一定程度的溫度分布不均勻，因此配置了2路信號檢測，相應(yīng)地采用6個風(fēng)機(jī)和2個水簾作為降溫器械，分別依據(jù)2路PT100溫度傳感器檢測到的溫度來控制工作狀態(tài)，達(dá)到一定溫度時就開啟對應(yīng)降溫設(shè)備，達(dá)到控制溫度的目的，同時還要有高溫報警的功能.單片機(jī)功耗低，體積小，價格低廉，基于單片機(jī)的溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作更穩(wěn)定，后期維護(hù)簡單，還能更新程序，可以利用剩余的I/O口拓展功能，所以采用單片機(jī)更適合文中溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[5-8].

1.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

溫控系統(tǒng)主要由4個部分組成：溫度采集電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊和外部控制電路，其中外部控制電路包括顯示模塊、降溫設(shè)備和報警器(圖1).

圖1 溫控系統(tǒng)的構(gòu)成

1.3 系統(tǒng)的工作原理

文中的溫控系統(tǒng)利用PT100溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，由電橋產(chǎn)生包含溫度信息的微弱模擬電壓差，這個與溫度相關(guān)的電壓差的幅值太小，難以直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此需要輸入運算放大器AD623進(jìn)行信號的放大，放大后的信號才能通過串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終輸入AT89C52單片機(jī)，AT89C52根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計算PT100的阻值，根據(jù)PT100的溫度-電阻特性求出監(jiān)測的目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境溫度，并控制LCD1602顯示屏顯示溫度值，通過I/O口控制降溫設(shè)備和報警裝置，實現(xiàn)控制溫度和過限報警的功能.

2 溫度信號的處理

2.1 溫度信號的轉(zhuǎn)換

PT100是一種常用于高精度溫度檢測的傳感器，PT100溫度傳感器的電阻與溫度具有一定的函數(shù)關(guān)系，具有量程廣、穩(wěn)定性好等特點，可用于在0～926 ℃范圍內(nèi)使用的國際標(biāo)準(zhǔn)溫度計.文中溫控系統(tǒng)的溫度信號采集模塊就是圍繞PT100溫度傳感器設(shè)計的.

鉑電阻的電阻-溫度特性曲線可采用多項式曲線擬合的插值方法來近似[9]258：

R=R0(1+αT+βT2),

(1)

其中，α=3.92×10-3，β=-5.775×10-7，R0=100 Ω.R0為PT100在0 ℃時的電阻值.

PT100溫度傳感器在恒流源的激勵下產(chǎn)生的微弱模擬信號不能直接被單片機(jī)接收，需要通過放大電路將微弱信號進(jìn)行放大，還需要利用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后被單片機(jī)讀取并依此計算PT100的電阻值和PT100的溫度，相應(yīng)控制降溫設(shè)備的工作狀態(tài)[9-11].

2.2 溫度信號的放大

AD623是一款差分運算放大器芯片，輸出的最大電壓就是其自身的供電電壓，具有工作穩(wěn)定，使用方便的優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛.

不外接電阻時，AD623被設(shè)為單位增益的狀態(tài)，外接電阻之后，AD623可編程設(shè)置增益，其增益與電阻相關(guān)，最高可達(dá)1000倍.以AD623運算放大器為核心的放大電路見圖2.

圖2 溫度信號采集與放大

根據(jù)AD623的用戶手冊和PT100熱電阻分度表，經(jīng)過計算得到

(2)

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分的溫度計算子程序的設(shè)計中會用到這個U-R關(guān)系式，單片機(jī)依據(jù)接收到放大電壓的數(shù)據(jù)計算PT100的阻值，再根據(jù)PT100的溫度-電阻的三項式擬合函數(shù)關(guān)系求出監(jiān)測的目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境溫度.

2.3 模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換

溫度信號經(jīng)過放大后還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，才能被單片機(jī)識別，并計算PT100溫度傳感器的溫度.文中選用的TLC2543是TI公司開發(fā)的一款12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用精確的開關(guān)電容逐次逼近的技術(shù)，可以進(jìn)行精確的數(shù)模轉(zhuǎn)換.TLC2543有AIN0～AIN10共11路輸入，而文中溫控系統(tǒng)要配置雙路溫度檢測，因此分別將2個含溫度信息的放大信號接入AIN0和AIN1腳.通常TLC2543的參考電壓范圍為0～5 V，此時REF+接+5 V，REF-接地.

3 單片機(jī)模塊

當(dāng)數(shù)字信號輸入單片機(jī)之后，單片機(jī)可通過編寫相關(guān)程序來實現(xiàn)溫度的顯示和控制.

3.1 溫控系統(tǒng)的顯示部分

LCD1602是一款常見的字符型液晶屏，顯示字母和數(shù)字非常方便，控制簡單，成本較低，功耗低，體積小,應(yīng)用非常廣泛.溫度顯示部分采用的LCD1602通常情況下共有16條引腳，其中數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳D0～D7可接單片機(jī)的P0口用于數(shù)據(jù)的傳輸，其命令/數(shù)據(jù)引腳RS與使能端E須與單片機(jī)相接用于LCD1602的顯示控制，至于讀/寫端口RW，由于LCD1602只需讀取單片機(jī)信號，故可以接地(圖3).

圖3 溫控系統(tǒng)的顯示模塊

3.2 溫控系統(tǒng)的控制部分

AT89C52單片機(jī)的I/O口的輸出能力非常有限，最大電流輸出僅約20 mA左右，無法直接控制繼電器，需要經(jīng)過PNP三極管放大后才能驅(qū)動繼電器，從而間接控制大功率的降溫設(shè)備.當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出低電平時，PNP三極管將輸出電流放大，吸合繼電器，外部工作電路被接通開始工作.當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出高電平時，PNP三極管截至，繼電器斷開，外部工作電路停止工作.一個控制單元的電路如圖4所示.

圖4 一個控制單元

風(fēng)機(jī)水簾控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中需要8個I/O口來作為外部電路的控制部分，這8個電路的繼電器均作為開關(guān)來決定風(fēng)機(jī)水簾控制電路的工作.

4 仿真結(jié)果

整個溫控系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖5.由于整體仿真圖尺寸過大，為便于展示，僅截取關(guān)鍵局部展示仿真結(jié)果.

圖5 2組PT100的狀態(tài)

TLC2543的0路輸入的PT100溫度傳感器的溫度為32.70 ℃，TLC2543的1路輸入的PT100溫度傳感器的溫度為28.40 ℃(圖6).

電橋產(chǎn)生的與溫度相關(guān)的電壓差信號經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過計算還原PT100的溫度(圖6)，單片機(jī)計算出來的溫度非常準(zhǔn)確并顯示在LCD1602液晶屏上.

圖6 LCD1602的顯示

圖7中左側(cè)一組的設(shè)備與TLC2543的0路輸入對應(yīng)，測量出的環(huán)境溫度為32.7 ℃，3個風(fēng)機(jī)全開，紅燈亮，蜂鳴器發(fā)聲.圖7中右側(cè)一組的設(shè)備與TLC2543的1路輸入對應(yīng)，測量出的環(huán)境溫度為28.4 ℃，2個風(fēng)機(jī)工作，綠燈亮，蜂鳴器發(fā)聲.

圖7 降溫設(shè)備及報警設(shè)備的工作狀態(tài)

以上結(jié)果表明，此溫控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測溫度，并根據(jù)環(huán)境溫度適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機(jī)水簾的工作狀態(tài)，并在環(huán)境溫度過高時報警，滿足溫控系統(tǒng)設(shè)計要求.

參考文獻(xiàn):

[1] 衛(wèi)永琴,劉春暉.多路溫度巡檢儀調(diào)理電路的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,6(18):11.

[2] 陳志祥,吳增明.水簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和使用[J].中國家禽,2007,29(6):38.

[3] LIU J G,LI Y K,ZHAO H Y.A temperature measurement system based on PT100[R]//InternationalConferenceonElectricalandControlEngineering.Wuhan:IEEE,2010:296.

[4] 馬凈,李曉光,寧偉.幾種常用溫度傳感器的原理及發(fā)展[J].中國儀器儀表,2004(6):1.

[5] 曲繼圣.數(shù)字測溫電路的差值靈敏度的設(shè)計分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2005,18(2):344.

[6] HOFMANN M C,LONG J N,ENGELSMAN J K,et al.Oven with wireless temperature sensor for use in monitoring food temperature:EP,EP 2176630 A1[P].2010.

[7] YI X J,LIU C M.Development of high-precision temperature measurement system based on ARM[R]//9thInternationalConferenceonElectronicMeasurement&Instruments.Beijing:IEEE,2009:469.

[8] 張瑜,張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(3):311.

[9] 劉國強(qiáng),唐東紅,李興偉.基于AT89C51單片機(jī)的高精度測溫系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表學(xué)報,2005,26(z1):258.

[10] 陳德龍,秦會斌.基于PT100的電子溫度表設(shè)計[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報,2005,25(4):42.

[11] MARINOV M,DIMIRTOV S,DJAMIYKOV T,et al.An adaptive approach for linearization of temperature sensor characteristics[R]//27thInternationalSpringSeminaronElectronicsTechnology:MeetingtheChallengesofElectronicsTechnologyProgress.Bankya:IEEE,2005:417.