基于PT100热电阻传感器的油温测量

发布时间:2021-01-13     浏览次数:
摘要:设计了基于单片机STC12C5628AD的温度实时探测系统,详述了温度探測系统硬件的总体结构,着重阐述了温度采集系统的软件和硬件设计及实现方法。该方法结构简单,抗干扰能力强,具有很好的应用价值。
0引言
       温度是自然界中与人类日常生活接触较多的物理参量,在工控产品中,温度是-一个重要的检测量。通过市场的反馈信息,油温的异常会导致桥壳内齿轮的打齿和磨损,从而影响车桥的使用寿命。绝大部分重型工程车的后驱动桥损坏都是由桥壳内油温发生异常而引起的。因此对油温进行实时监控及超温报警,可以有效地避免故障的发生,提高车辆的使用寿命。本系统采用PT100铂热电阻作为温度感测元件进行温度检测系统的设计和实现。这里设计的温度测量电路能够快速获取温度信号并经过软件处理,准确地显示在驾驶室的中控台上。.
1测量系统的工作原理
       测温仪系统硬件流程框图如图1所示。考虑到功耗及整机的精度和价格等问题,测温仪的单片机控制器采用STC12C5628AD系列单片机,并启用了看门狗功能,以提高测温仪的抗干扰性能。测温系统采用恒流源电路测量铂电阻随温度变化的电压信号,经过放大滤波A/D转换后,送到单片机中进行处理和显示。采集时实时显示采集温度,超过设定值则报警。本测温仪通过串口与PC机连接,上位机负责设置采集开始时间、采集间隔时间等参数,并读取下位机数据,进行数据分析和处理。

2测量系统的硬件设计
       基于PT100的温度测量系统,硬件主要是由以下4个模块构成,单片机系统STC12C5628AD,测温模块,显示模块和超温报警模块。系统硬件框图如图2所示。

2.1测温模块
       测温模块主要的作用是采集温度信息,送给单片机系统进行处理。测温模块主要包括PT100温度传感器,放大滤波电路,恒流源,A/D数模转换,测温结构模块的结构3如图所示。

a.恒流源。PT100热电阻传感器改变的是电阻信号,这里采用恒流源电路将变化的电阻信号转换成为变化的电压信号,其中PT100采用三线制接法与恒流源电路相连接。恒流源电路选用运放LM358和电阻构成,其中运放LM358将基准电压5V转换成为恒流源,但--般外接固定的5V电源无法提供精确的5V基准电压,在这里选用外接的12V电源,利用含有LM2575的压降电路将外接的12V电压降至精确的5V电压,然后供给恒流源电路,输出恒定的电流,输出的恒定工作电流为:I恒=4.096V13.3K=1.2mA,这种电流源的设计简单而且精度很高。恒流源电路如图4所示,压降电路图如图5所示。

b.PT100传感器。PT100热电阻传感器在0℃时的电阻值为100Ω,随着温度的变化其阻值也发生变化,在100℃时的电阻值约为138.5Ω,它的阻值随着温度的上升而均匀的向,上增长。温度的采集范围可以在-200℃~+200℃。PT100热电阻传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器。其中电阻值和温度的函数关系式如下:

       显然,温度和电阻是非线性的关系,在测量精度要求不高的情况下,电阻值和温度的关系可以简化为线性关系:

       由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等被广泛用于温度测量中。由于连接导线的电阻和接触电阻会对PT100的测温精度产生较大的影响,故本次设计不采用电桥,完全采用恒流源发送。
c.放大滤波电路模块。恒流源电路的设置相当于给阻值随温度改变的热电阻通人一个大小不变的恒定电流,使阻值的变化转换成为了热电阻两端电压的变化。因为最初输出的电压信号较小,不足以驱动负载正常工作,并且其中含有较多的杂波,波形不够平滑,因此对最初的电压信号进行放大和低通滤波的处理,将电压信号接着导入放大滤波电路中,这里的放大滤波电路选取LM358运算集成放大器,电路如图6所示。

       放大电路中:R3=R6,R5=R4放大倍数n=R5/R3=10,改变两个电阻阻值可以获取不同的增益。运放采用单的5V供电。滤波电路的截止频率为:

2.2A/D数模转换及单片机系统
       这里设计采用STC12C5628AD单片机,STC12C5628AD的指令代码完全兼容传统的8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,4路PWM,8路高速10位A/D转换,其中端脚P1.0-P1.7为A/D转换接口,因此无需外接单独的AD转换器。此系统中单片机主要负责处理AD转换器输出的数字信号,并且得到相应的温度值,显示在LCD1602显示屏上,当超过设定的警戒值时会通过控制蜂鸣器来进行报警。
2.3显示模块和报警模块
       LCD显示电路采用LCD1602,工业字符型液晶,能够同时显示32个字符。本次设计中LCD的8位数据口与单片机的P1口相连,LCD的RS,EN分别与单片机的P2.2和P2.3相连接。该设计中AD0804的参考电压为1.7V,负极输人电压为2.06V,正极输人电压为Rtx0.025V,AD输出的数字量D与t之前的关系如下:D=Rtx256/1.7,因此可以建立一个AD输出的数字信号和温度的对应表。单片机通过查表得到温度值并在LCD1602.上显示。
       报警模块中选用有源蜂鸣器来实现超温报警的功能,将蜂鸣器的输人端与单片机系统P2.6端脚相连接。显示与报警模块和单片机系统相连的电路图如图7所示。

3测温装置软件的设置
       系统的软件设置主要是控制温度数值在LCD上的显示,判断是否超温以及超温时蜂鸣器的报警提示。软件的编程主要是通过C语言来实现,软件的流程图如图8所示。

4结束语
       采用PT100热电阻采集桥壳内的油温,并通过布置在驾驶室内的LCD1602显示屏对实际工况下的油温进行实时的显示,让驾驶员对驱动桥内润滑油温度有一个直观的了解,从而在油温出现异常时,提醒驾驶员提前采取措施来避免因油温而产生的驱动桥故障,有效地降低了车桥的故障率,延长了使用寿命。并且该系统在前期的装车试验中,工作性能可靠稳定,具有很强的实用性。
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