基于PT100熱電阻傳感器的油溫測(cè)量

摘要:基于單片機(jī)STC12C5628AD的溫度實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng),詳述了溫度探測(cè)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(shí)現(xiàn)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單,抗干擾能力強(qiáng),具有很好的應(yīng)用價(jià)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(gè)重要的檢測(cè)量。通過市場(chǎng)的反饋信息，油溫的異常會(huì)導(dǎo)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(dòng)橋損壞都是由橋殼內(nèi)油溫發(fā)生異常而引起的。因此對(duì)油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及超溫報(bào)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(cè)元件進(jìn)行溫度檢測(cè)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)。這里溫度測(cè)量電路能夠快速獲取溫度信號(hào)并經(jīng)過軟件處理,正確地顯示在駕駛室的中控臺(tái)上。.
1測(cè)量系統(tǒng)的工作原理
       測(cè)溫儀系統(tǒng)硬件流程框圖如圖1所示。考慮到功耗及整機(jī)的精度和價(jià)格等問題,測(cè)溫儀的單片機(jī)控制器采用STC12C5628AD系列單片機(jī),并啟用了看門狗功能，以提高測(cè)溫儀的抗干擾性能。測(cè)溫系統(tǒng)采用恒流源電路測(cè)量鉑電阻隨溫度變化的電壓信號(hào),經(jīng)過放大濾波A/D轉(zhuǎn)換后,送到單片機(jī)中進(jìn)行處理和顯示。采集時(shí)實(shí)時(shí)顯示采集溫度,超過設(shè)定值則報(bào)警。本測(cè)溫儀通過串口與PC機(jī)連接,上位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置采集開始時(shí)間、采集間隔時(shí)間等參數(shù),并讀取下位機(jī)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

2測(cè)量系統(tǒng)的硬件
       基于PT100的溫度測(cè)量系統(tǒng)，硬件主要是由以下4個(gè)模塊構(gòu)成，單片機(jī)系統(tǒng)STC12C5628AD,測(cè)溫模塊，顯示模塊和超溫報(bào)警模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1測(cè)溫模塊
       測(cè)溫模塊主要的作用是采集溫度信息，送給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。測(cè)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(cè)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(hào),這里采用恒流源電路將變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為變化的電壓信號(hào),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(yùn)放LM358和電阻構(gòu)成，其中運(yùn)放LM358將基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)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(guān)系而制成的溫度傳感器。其中電阻值和溫度的函數(shù)關(guān)系式如下:

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

       由于其測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等被廣泛用于溫度測(cè)量中。由于連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻會(huì)對(duì)PT100的測(cè)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(shè)置相當(dāng)于給阻值隨溫度改變的熱電阻通人一個(gè)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?yàn)樽畛踺敵龅碾妷盒盘?hào)較小,不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)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(duì)最初的電壓信號(hào)進(jìn)行放大和低通濾波的處理,將電壓信號(hào)接著導(dǎo)入放大濾波電路中,這里的放大濾波電路選取LM358運(yùn)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(gè)電阻阻值可以獲取不同的增益。運(yùn)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(jī)系統(tǒng)
       這里采用STC12C5628AD單片機(jī)，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(fù)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(dú)的AD轉(zhuǎn)換器。此系統(tǒng)中單片機(jī)主要負(fù)責(zé)處理AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，并且得到相應(yīng)的溫度值，顯示在LCD1602顯示屏上，當(dāng)超過設(shè)定的警戒值時(shí)會(huì)通過控制蜂鳴器來進(jìn)行報(bào)警。
2.3顯示模塊和報(bào)警模塊
       LCD顯示電路采用LCD1602,工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示32個(gè)字符。本次LCD的8位數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P1口相連,LCD的RS,EN分別與單片機(jī)的P2.2和P2.3相連接。該中AD0804的參考電壓為1.7V,負(fù)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(guān)系如下:D=Rtx256/1.7，因此可以建立一個(gè)AD輸出的數(shù)字信號(hào)和溫度的對(duì)應(yīng)表。單片機(jī)通過查表得到溫度值并在LCD1602.上顯示。
       報(bào)警模塊中選用有源蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警的功能，將蜂鳴器的輸人端與單片機(jī)系統(tǒng)P2.6端腳相連接。顯示與報(bào)警模塊和單片機(jī)系統(tǒng)相連的電路圖如圖7所示。

3測(cè)溫裝置軟件的設(shè)置
       系統(tǒng)的軟件設(shè)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(shí)蜂鳴器的報(bào)警提示。軟件的編程主要是通過C語言來實(shí)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(duì)實(shí)際工況下的油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，讓駕駛員對(duì)驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)潤滑油溫度有一個(gè)直觀的了解，從而在油溫出現(xiàn)異常時(shí)，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(dòng)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(yàn)中，工作性能可靠穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。