基于PT100熱電阻傳感器的油溫測量

摘要:基于單片機STC12C5628AD的溫度實時探測系統(tǒng),詳述了溫度探測系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu),著重闡述了溫度采集系統(tǒng)的軟件和硬件及實現(xiàn)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單,抗干擾能力強,具有很好的應用價值。
0引言
       溫度是自然界中與人類日常生活接觸較多的物理參量,在工控產(chǎn)品中,溫度是-一個重要的檢測量。通過市場的反饋信息，油溫的異常會導致橋殼內(nèi)齒輪的打齒和磨損,從而影響車橋的使用壽命。絕大部分重型工程車的后驅(qū)動橋損壞都是由橋殼內(nèi)油溫發(fā)生異常而引起的。因此對油溫進行實時監(jiān)控及超溫報警,可以有效地避免故障的發(fā)生，提高車輛的使用壽命。本系統(tǒng)采用PT100鉑熱電阻作為溫度感測元件進行溫度檢測系統(tǒng)和實現(xiàn)。這里溫度測量電路能夠快速獲取溫度信號并經(jīng)過軟件處理,正確地顯示在駕駛室的中控臺上。.
1測量系統(tǒng)的工作原理
       測溫儀系統(tǒng)硬件流程框圖如圖1所示?？紤]到功耗及整機的精度和價格等問題,測溫儀的單片機控制器采用STC12C5628AD系列單片機,并啟用了看門狗功能，以提高測溫儀的抗干擾性能。測溫系統(tǒng)采用恒流源電路測量鉑電阻隨溫度變化的電壓信號,經(jīng)過放大濾波A/D轉(zhuǎn)換后,送到單片機中進行處理和顯示。采集時實時顯示采集溫度,超過設定值則報警。本測溫儀通過串口與PC機連接,上位機負責設置采集開始時間、采集間隔時間等參數(shù),并讀取下位機數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)分析和處理。

2測量系統(tǒng)的硬件
       基于PT100的溫度測量系統(tǒng)，硬件主要是由以下4個模塊構(gòu)成，單片機系統(tǒng)STC12C5628AD,測溫模塊，顯示模塊和超溫報警模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1測溫模塊
       測溫模塊主要的作用是采集溫度信息，送給單片機系統(tǒng)進行處理。測溫模塊主要包括PT100溫度傳感器,放大濾波電路,恒流源,A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換,測溫結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)3如圖所示。

a.恒流源。PT100熱電阻傳感器改變的是電阻信號,這里采用恒流源電路將變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成為變化的電壓信號,其中PT100采用三線制接法與恒流源電路相連接。恒流源電路選用運放LM358和電阻構(gòu)成，其中運放LM358將基準電壓5V轉(zhuǎn)換成為恒流源，但--般外接固定的5V電源無法提供5V基準電壓,在這里選用外接的12V電源,利用含有LM2575的壓降電路將外接的12V電壓降至5V電壓,然后供給恒流源電路,輸出恒定的電流,輸出的恒定工作電流為:I恒=4.096V13.3K=1.2mA，這種電流源簡單而且精度很高。恒流源電路如圖4所示，壓降電路圖如圖5所示。

b.PT100傳感器。PT100熱電阻傳感器在0℃時的電阻值為100Ω,隨著溫度的變化其阻值也發(fā)生變化,在100℃時的電阻值約為138.5Ω,它的阻值隨著溫度的上升而均勻的向，上增長。溫度的采集范圍可以在-200℃~+200℃。PT100熱電阻傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關系而制成的溫度傳感器。其中電阻值和溫度的函數(shù)關系式如下:

       顯然,溫度和電阻是非線性的關系,在測量精度要求不高的情況下,電阻值和溫度的關系可以簡化為線性關系:

       由于其測量精度高、測量范圍大、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等被廣泛用于溫度測量中。由于連接導線的電阻和接觸電阻會對PT100的測溫精度產(chǎn)生較大的影響,故本次不采用電橋,完全采用恒流源發(fā)送。
c.放大濾波電路模塊。恒流源電路的設置相當于給阻值隨溫度改變的熱電阻通人一個大小不變的恒定電流，使阻值的變化轉(zhuǎn)換成為了熱電阻兩端電壓的變化。因為最初輸出的電壓信號較小,不足以驅(qū)動負載正常工作,并且其中含有較多的雜波,波形不夠平滑，因此對最初的電壓信號進行放大和低通濾波的處理,將電壓信號接著導入放大濾波電路中,這里的放大濾波電路選取LM358運算集成放大器,電路如圖6所示。

       放大電路中:R3=R6,R5=R4放大倍數(shù)n=R5/R3=10,改變兩個電阻阻值可以獲取不同的增益。運放采用單的5V供電。濾波電路的截止頻率為:

2.2A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換及單片機系統(tǒng)
       這里采用STC12C5628AD單片機，STC12C5628AD的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,4路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，其中端腳P1.0-P1.7為A/D轉(zhuǎn)換接口,因此無需外接單獨的AD轉(zhuǎn)換器。此系統(tǒng)中單片機主要負責處理AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，并且得到相應的溫度值，顯示在LCD1602顯示屏上，當超過設定的警戒值時會通過控制蜂鳴器來進行報警。
2.3顯示模塊和報警模塊
       LCD顯示電路采用LCD1602,工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示32個字符。本次LCD的8位數(shù)據(jù)口與單片機的P1口相連,LCD的RS,EN分別與單片機的P2.2和P2.3相連接。該中AD0804的參考電壓為1.7V,負極輸人電壓為2.06V,正極輸人電壓為Rtx0.025V,AD輸出的數(shù)字量D與t之前的關系如下:D=Rtx256/1.7，因此可以建立一個AD輸出的數(shù)字信號和溫度的對應表。單片機通過查表得到溫度值并在LCD1602.上顯示。
       報警模塊中選用有源蜂鳴器來實現(xiàn)超溫報警的功能，將蜂鳴器的輸人端與單片機系統(tǒng)P2.6端腳相連接。顯示與報警模塊和單片機系統(tǒng)相連的電路圖如圖7所示。

3測溫裝置軟件的設置
       系統(tǒng)的軟件設置主要是控制溫度數(shù)值在LCD上的顯示，判斷是否超溫以及超溫時蜂鳴器的報警提示。軟件的編程主要是通過C語言來實現(xiàn)，軟件的流程圖如圖8所示。

4結(jié)束語
       采用PT100熱電阻采集橋殼內(nèi)的油溫，并通過布置在駕駛室內(nèi)的LCD1602顯示屏對實際工況下的油溫進行實時的顯示，讓駕駛員對驅(qū)動橋內(nèi)潤滑油溫度有一個直觀的了解，從而在油溫出現(xiàn)異常時，提醒駕駛員提前采取措施來避免因油溫而產(chǎn)生的驅(qū)動橋故障，有效地降低了車橋的故障率，延長了使用壽命。并且該系統(tǒng)在前期的裝車試驗中，工作性能可靠穩(wěn)定，具有很強的實用性。