一种数字式多路温度检测系统的设计

2018-05-23宿文玲于海宏

机械工程师 2018年5期

宿文玲，于海宏

（1.黑龙江财经学院，哈尔滨 150025；2.哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，哈尔滨 150040）

0 引言

在计量检测领域，如果想得到准确的检测结果，除了测量仪器本身的精度以外，检测时的环境温度对测量结果的影响也是至关重要，所以检测时会对计量室环境温度、被测工件温度和测量仪器温度进行明确要求，这就需要测量仪器具备一套温度检测系统，可以使操作者在检测过程中实时监测各项温度指标。同时，为了进一步提高测量仪器的系统精度，减少温度对测量结果的影响，高精度测量仪器会利用检测到的温度数据，进行温度补偿计算以便对测量结果进行修正，本文就介绍了一种适用于测量仪器的数字式多路温度检测系统的设计。

1 总体方案设计

开始具体设计前，分析所设计产品的使用功能需求及特点，确定明确的总体设计方案，能够使整个设计过程更加顺畅、设计目标更加明确，因此在设计初始阶段，我们综合考虑温度检测系统的使用条件及功能需求，对比市场上现有温度检测系统的优缺点，在总体设计方案中明确这套温度检测系统应具备如下功能及特点：1）测量仪器使用时至少需要采集环境温度、仪器温度和被测零件温度3路温度信号，当需要进行温度补偿时，需要采集的温度信号更多，因此检测系统应能够同时支持至少8路温度信号的采集处理；2）温度传感器应采集精度高且反映灵敏，温度信号抗干扰能力强、易于计算处理，温度传感器工作应稳定可靠、便于安装，具有一定的防护、不易受损；3）检测系统与计算机之间可进行实时通讯，通讯接口采用计算机上普遍配置的USB接口和串口，使用者可根据使用条件任选；4）电路板设计应充分考虑可调试性和抗干扰能力。

2 温度检测系统的具体设计

依据总体设计方案所制定的设计目标，参考以往研发项目的经验，可以确认本套温度检测系统主要由两大模块组成：温度传感器模块和温度信号采集处理主板模块。其中信号采集处理主板模块将负责整个系统主要功能的实现，是本次设计的重点。下面简要介绍一下这两大模块的设计研发过程。

2.1 温度传感器模块设计

温度传感器的作用是探测温度并转换成可处理的电信号，传输给系统处理主板进行处理，常见的温度传感器分为接触式与非接触式两大类，因接触式传感器与被测物体接触较紧密，所以相对精度较高，因此本项目中我们将采用接触式温度传感器。通过查阅相关资料我们发现，传统温度检测系统中的温度传感器以铂电阻式模拟信号传感器为主，虽然这种温度传感器精度较高，但使用起来麻烦，需要进行温度线性校正，模拟量温度信号若想实现计算与通讯还需设计额外的模数转换电路，而且模拟量的抗干扰能力也不如数字量信号。考虑到模拟信号温度传感器存在的弊端，在查找了相关芯片资料后，我们决定在本设计中采用专用高精度数字式温度传感器芯片来制作传感器模块，该型号温度传感器测量精度可保持在±0.2℃以内，可直接输出数字式温度信号，不仅使用方便、易于数据处理与传输，工作也更加稳定、功耗更低。

温度传感器芯片选型完成后，还需对其进行封装，使温度传感器具有一定防护能力、不易受损，而且还要便于安装，同时对传感器的封装还不能影响传感器对被测温度的探测灵敏性。综合考虑后，我们采用具有良好导热特性的纯铜材质制作传感器封装，用绝缘胶将温度传感器封装在纯铜壳体内，根据传感器安装位置的不同，封装壳体制成圆柱形、扁平型两类，壳体上留有螺钉孔或镶嵌磁体以便于传感器与被测部位可靠接触。

2.2 温度检测系统信号采集处理主板设计

在本套温度检测系统中，所有的温度传感器最终都要连接到一块信号处理主板上，由这块信号采集处理主板负责对温度信号进行采集、计算并传输给上层电脑进行软件监测与补偿计算，这块信号采集处理主板是整套系统的核心控制板，下面介绍一下其主要几个模块的设计。

1）系统主板核心处理电路设计。系统主板的核心功能是温度传感信号的采集、处理以及温度信号向计算机的传输，经过综合考虑后在本设计中我们选用STC89LC52RC单片机作为处理核心，因为单片机成本低廉，接口及数据采集通道虽数量有限但完全能满足使用要求，而且单片机的应用技术极成熟、可供参考的资料很多。单片机封装集成度高，外围硬件电气原理图设计简单，设计中只需按芯片手册连接好晶振电路、存储芯片电路、数据通道电路和单片机复位电路、看门狗电路等基本电路（见图1），就可搭建起基本的硬件体系。在基本硬件电路设计好后，设计所需实现的各种信号处理计算功能，都可以通过编写单片机内部固件程序实现，这就使系统功能具备一定的灵活性，可根据不同的使用要求通过修改固件程序进行调整。在开发过程中有效地借助单片机开发板的辅助，使我们在编写单片机固件程序时事半功倍，节省了大量开发时间。

图1 单片机电路原理图

2）温度信号输出接口模块设计。系统主板将温度传感器的温度信号采集处理后，最终还是要传输给计算机，由专用软件进行温度监控或温度补偿计算，因此主板应具备与计算机的通讯接口。为了使系统具备良好的兼容性，我们最终选用普遍应用的USB接口和串行接口作为通讯接口，用户可根据使用条件的不同，任选其一进行通讯。在这两种通讯的功能实现，直接选用专用USB接口芯片和串行信号驱动芯片实现，电路设计简单且功能可靠稳定。

3）系统主板电源模块设计。查阅前面设计中所选择的各个芯片手册后，确认系统主板需要+5 V和+3 V两种电源类型，所需的电源种类并不多，而且+5V和+3V电压相差并不多，完全可以用电源转换芯片将+5V电源转换为+3V电源，这样我们只需给系统主板提供+5V电源即可满足其所有的电源需求。对于普通的消费类电子产品，在这种情况下通常会选用由计算机的通讯接口（USB或串口）直接获得+5V电源，这样可以节省一根专用电源供电电缆。但在综合考虑测量仪器的使用需求后，我们放弃了这种方案，坚持采用独立的外部电源供电，因为从计算机接口获取电源虽然便捷，但计算机接口的带载能力和稳定性并不出色，对于精密测量仪器来说，可靠的稳定性才是至关重要的。电源电路设计工程中为了进一步提高电源的稳定性，在外部电源接入系统主板后，还设计了专门的电感滤波和电容滤波，串联可复位保险丝，以保护主板在外部电源电流过大时不至于被烧毁。

4）系统主板PCB电路板设计。利用专用电气设计绘图软件完成主板各个功能模块的原理图设计后，下一步开始主板PCB电路板图的设计。根据以往设计经验，开始布置PCB板连接导线前，我们按照功能及电子信号的传输方向先将各个电气元件、电气接口合理布置（见图2），然后逐根地手动布置连接导线，虽然手动布线没有设计软件提供的自动布线功能快捷，但手动布线更加合理、美观。电源信号和地信号布线进行了加粗处理的同时，整块PCB电路板双面都进行了覆铜，以此提高电路板的抗干扰能力。

图2 PCB板布置图

3 温度检测系统的试制与测试

试样PCB板制板完成后，按照装配图逐一焊接电气元件，同时观察记录在电路板焊接装配过程中，PCB板是否存在布局不合理或元件封装不准确导致焊接生产操作困难的问题，以便在后续批量生产中加以改进。温度传感器及信号采集处理主板装配完成后，连接计算机，利用专用温度监测及温度补偿软件，针对总体设计方案中的设计目标进行逐条测试，进过反复的调试、修改，最终实现了所有预期的设计功能及精度，尤其温度补偿功能能够明显提升测量仪器的整体系统精度。