实用温度检测系统的设计与实现

在工程实践中，经常需要对系统的温度进行测量，通常温度的测量点和处理以及显示点的距离都比较远，这时电信号会长距离传输．在传输的过程中往往会伴随各种干扰以及信号的衰减问题，这就要求在信号的传输中不能采用一般的传输方法，必须对线路上的模拟信号采用适当的抗干扰技术．干扰进入采集系统的渠道主要有3条：
1)空间干扰(场干扰)：干扰以电磁波辐射方式进入系统；
2)供电系统的干扰：干扰通过电源通道进入系统；
3)过程通道干扰：干扰通过与主机相联的前向通道、后向通道及与其他主机的相互通道进入系统．
一般情况下。干扰都是以脉冲的形式进入系统的．在此系统中。需要对某试验现场进行温度测量，要求测量的精度一般，但是测量现场和温度值的显示地点有很远的距离。并且要求测量范围-40～60 ℃，故前端选用高精度温度传感器，传输通道选用V/I变换，数据显示和处理选用PC和高性能单片机的设计方案来构建实用温度测量及显示系统．

1 系统硬件线路设计
整个温度采集系统的设计框图如图1

下面对每个系统分别进行设计．
1.1 前端采集电路设计
为了满足系统的要求，前端温度采集传感器选用美国半导体公司的高精度温度传感器LM35，此传感器采用己知温度系数的基准源作为温敏元件。芯片内部则采用差分对管等线性化技术，实现了温敏传感器的线性化，也提高了传感器的精度．与热敏电阻、热电偶等传统传感器相比，具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价格低等特点，非常适合温度的测量工作．它的主要性能指标如下：
1)输出电压与摄氏温度成正比：10.0mV/℃ ；
2)宽温度测量范围：-55～150℃ ；
3)宽供电电压：4～30V；
4)低功耗，一般小于60 uA，自热温度小于0.1℃ ．
5)非线性数值：小于±1/4℃．
为了实现-40～60℃ 的温度测量，采用LM35的全温度测量接线方法，具体的接线图如图2所示．

图中：电阻尺的阻值按照R=Vcc/50uA来选择．电路的输出电压 与温度的线性关系为：
1)环境温度150℃ ，Vout =1500 mV；
2)环境温度25℃ ，Vout =250mV；
3)环境温度-55℃ ，Vout=550mV．
为了增加驱动能力，在电压采集端接一跟随器，得到与温度对应的电压值．

1.2 前级信号的就地处理
由1.1可知，传感器LM35得到的电信号是与摄氏温度成正比的电压值，且正负电压均有，故必须给传感器进行正负电源供电．鉴于电压的输出值较小，在线路中传输的过程中会有衰减，造成测量误差，故要对信号的即时进行处理，首先采用信号的放大，将信号放大2倍左右，得到全范围的电压信号幅值为-1.1～3 V，由于所测量的温度范围是-40～60℃ ．所以，在实际应用电路中的电压信号的输出量值在-0.8～1.2 V．同时为了方便下一级的处理，需要将信号进行正负的变换．具体的转换电路如图3所示．
在图3中，输入电压Vin经过运放Ro的判断后，选择导通Q1，Q2，当Vin0时，Q1导通，Vout输出正的电压值；当Vin0时，Q2导通，Vout经过反相器后也输出正的电压值．运放Ro的输出信号可以作为输入电压Vin的正负的判断，为上位机的处理温度信号的正负提供依据．


1.3传输通道V/I变换设计
为了实现信号的长距离传输，避免现场干扰，对采集电路得到的电压值进行V/I(电压/电流)的变换，在传输通道中传递电流信号，避免了信号的衰减，提高了信号传输的可靠性．V/I转换选用单片集成信号变送器AD694，AD694内部电路由缓冲放大器、V/I变换、参考电压源、偏移电流发生器等功能模块组成，AD694以高抗扰性的特点传送4～20mA电流信号，它具有如下主要特点：
1)输入信号有0～2 V和0～10 V 2个基本量程，可供选择．
2)输出可提供4～20mA或者0～20mA电流信号．
3)电源电压范围较宽(4.5～36 V)，可单电源或双电源工作．
4)利用缓冲放大器可直接与电流输出型D/A转换器连接，构成数字量变换成标准电流信号的接口电路．
5)利用缓冲放大器可重新调整输入量程，使之能接受几十毫伏传感器信号．
6)当输出电流回路有故障时，可发出报警信号．
利用AD694进行V/I转换的电路图如图4所示，采用输入电压0～2 V，对应的输出电流为4～20 mA．

1.4 数据处理系统设计
经过AD694后的电流信号可以长距离的传输，在数据处理系统中电流信号可以经过一个250 Ω的精密电阻将4～20mA的电流信号转换成1～5 V的电压信号，然后通过8位或者12位的A/D转换器转换成数字信号后进入单片机系统中．但是这样设计会引起电路设计繁琐，为此借用系统中的1台PLC的A/D模块，直接将4～20 mA的电流信号接入欧姆龙PLC的ADO03模块上的1个模拟输入通道，完成AD转换，由于PLC和上位PC相连，所以PLC转换后的数值信号可以直接传送给PC．
在此系统中，除了将采集到的温度值在PC机上显示外，还要用数码管显示在经常观察的地方．为此，在数码显示区采用单片机系统，单片机系统用串口通讯与PC机相连．PC将温度值传送到单片机上，进而实现数码显示．数码显示的驱动芯片选用4511．它能实现BCD码到7段码的转换，方便地实现温度值的数码显示．

2 系统软件设计
整个系统的软件主要包括PLC软件设计、上位PC机软件设计、单片机显示软件设计．PLC软件设计采用梯形图编程，在这里PLC的软件不是主要讨论的内容．上位机PC机软件设计采用三维力控的组态软件，主要的程序段是实现PC机和单片机的通讯．在单片机中的软件采用汇编语言设计，主要功能是实现与PC机的通讯和输出温度值，实现温度的显示功能．软件的框图如图5．