货车轮毂温度测控系统设计.doc

【有全套 cad 图】需完整 cad+说明书请联系 qq1175231241 海 量毕业设计 课程设计，承接定制、更多设计请移步： 更多设计请移步： 咨询 毕毕业业论论文文 ( (设设计计) ) 题目名称：题目名称： 货车轮毂温度测控系统设计货车轮毂温度测控系统设计 题目类型：题目类型： 毕业设计毕业设计 学生姓名：学生姓名： 刘芬刘芬 院院 ( (系系) )： 机械工程学院机械工程学院 专业班级：专业班级： 装备装备 1090110901 班班 指导教师：指导教师： 张善彪张善彪 辅导教师：辅导教师： 时时 间：间： 2013.32013.3 至至 2013.62013.6 货车轮毂温度测控系统设计 第 2 页 共 45 页 货车轮毂温度测控系统设计货车轮毂温度测控系统设计 学生：刘芬，过程装备与控制工程 指导教师：张善彪，过程装备与控制工程 摘要大型货车在丘陵地带或坡道上行驶时需频繁或长时间刹车，会造成刹 车鼓（盘） 、制动蹄温度骤升，轮毂温度聚增，在剧烈高温下最终会导致刹车失灵， 以及温度过高至使轮胎气压过高而出现爆胎现象而造成安全事故，通过对国内外刹 车过热问题采取的解决方法的研究,最好的解决方案是设计出了一套大型货车制动过 热自动控制系统装置,该系统由温度检测单元、液位检测单元、人机接口单元以及单 片机控制单元等部分组成。该系统是以铂电阻 pt100 作为温度传感器，采用恒流测 温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、a/d 转换器进行温度信号的采集。另 外，还设计了时钟电路模块，能实现对温度的实时测量。本设计采用了两线制铂电 阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及 pt100 自身的误差，使温 控精度在 0100范围内达到0.1。本文采用 at89s51 单片机，tlc2543 a/d 转换器，ds1302 时钟芯片，ad620 放大器，铂电阻 pt100 及 6 位数码管组成系统， 编写了相应的软件程序,使其实现温度的实时显示。该系统点是：使用简便；测量精 确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。主控芯片根据设定的温度条件输出控 制信号,启动喷水设备对刹车系统降温;在手动方式下,也可以控制单片机启动喷水设 备，降低刹车系统的温度。本课题对系统的硬件和软件进行分析说明，通过绘制相 关的硬件连接图和软件流程图,建立系统软硬件模型，证明该系统可以实现对大型货 车制动过热自动控制的功能。 关键词pt100，单片机，温度测量，ds1302 【有全套 cad 图】需完整 cad+说明书请联系 qq1175231241 海 量毕业设计 课程设计，承接定制、更多设计请移步： 更多设计请移步： 咨询 design of the temperature self-control of the truck skid system abstract required frequent or prolonged braking when large vehicles with goods driving on hills or ramps ,it will cause the brake drum (disk) , brake shoe temperature leapt hub ,at the same time, it will increase the truck skid system in the high temperature , eventually ,the result willcause severe brake failure, and the high tire pressure temperature is too high to make the phenomenon appear flat tire and caused accidents, according to research the solutions of overheated brakes in abroad, the best way solution is designing a new set of device .the set of device with the temperature self-control of the truck skid system inclusions the temperature detection unit, the level detection unit,the man-machine interface unit and the mcu control unit and other components. the system is based on a pt100 platinum resistance as temperature sensor, using the constant-current temperature method, through the single-chip microcomputer control, amplifier, a/d converter, temperature signal acquisition. in addition, also designed the clock circuit module, can realize the real-time measurement of temperature. this design adopts two wire platinum resistance temperature measurement circuit, the design of circuit, reduces the error of the measurement circuit and its pt100, the precision of temperature is 0 100 reach 0.1 . this paper uses the at89s51 microcontroller, tlc2543 a/d converter, ds1302 clock chip, ad620 amplifier, platinum resistance pt100 and the 6 digital tube system, compiled the corresponding software program, so as to realize the real-time display of temperature. the system is simple: use; measurement accuracy, stability, reliability; measurement range; widely used object.the main chip export the output control signal according to the main chip set temperature, to start to spraying equipment to cool the braking system; in the manual mode, you can start spraying equipment to reduce the temperature of the truck skid system. the topic of the device need hardware and software analysis ,it need establish the system hardware and software model by drawing the relevant hardware connection diagram and software flow chart , in order to prove that the device can realize the function of reducing the temperature of the truck skid system. keywords: pt100 mcu temperature measurement ds1302 货车轮毂温度测控系统设计 第 4 页 共 45 页 目目 录录 毕业论文（设计）任务书 . 开题报告. 指导教师审查意见. 评阅教师评语. 答辩会议记录. 中文摘要. 外文摘要. 1 绪论.5 1.1 研究背景及意义 .5 1.2 国内外研究现状 .6 1.3 研究内容 .6 2 温度测控系统设计方案.7 2.1 温度测控系统的结构 .7 2.2 温度控制器功能设计 .10 2.3 执行机构 .11 3 电路硬件设计.12 3.1pt100 温度传感器特性和测温原理 .12 3.2 恒流源电路 .13 3.3 放大电路的设计 .14 3.4a/d 转换器的选择与设计电路 .16 3.5ds1302 时钟电路设计 .18 3.6 单片机控制电路 .20 3.7 按键和显示电路 .24 3.8 其他设备的选用 .25 4 电路软件设计.28 4.1 系统的软件程序流程图 .29 4.2 功能分析跟算法的选用 .33 5 实验方案.34 5.1 实验室模拟 .36 5.2 现场模拟 .37 6 结论.38 参考文献.39 致谢.40 附录.41 温度测控系统设计方案 第 5 页 共 45 页 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 随着交通运输业的发展，大型货车已成为这一行业中必不可缺的交通运输工具。 由于路况以及车辆自身的问题，在长途运输时，往往需频繁使用刹车系统，因此， 在整个运输过程中，刹车系统常常工作于高温环境中，很容易造成以下问题：在高 温环境中，刹车系统的各工作部件易发生氧化，会减少刹车系统的使用寿命，甚至 可能导致刹车失灵，造成安全事故。为此，国外多采用为车辆安装辅助制动装置的 方法，能较好地提高制动效果，但由于我国道路地形复杂，该装置的实际使用效果 并不是很理想，另外常用的方法是采用改良刹车片的材料，虽然效果较好，但材料 研制复杂、成本较高，使用并不普遍。目前，国内很多驾驶员为了降低运输成本， 都会在车上安装一个高位水箱，利用其高位产生的压力将其传送到刹车毂上，从而 冷却车毂，但是在行车过程中司机要根椐当时的具体情况来控制水箱开关，而水箱 的高度有限，压力太小，时常会出现喷嘴堵塞现象，或利用刹车本身的气压来实现 刹车淋水冷却，这种方式对水箱等配件的密封性能和受压能力要求高，容易损坏水 箱等配件，为了更好地解决大型货车制动安全问题，保持刹车系统性能稳定，本课 题设计了一种大型货车制动过热自动控制系统。该系统是以铂电阻 pt100 作为温度 传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大器、a/d 转换器进行 温度信号的采集。另外，还设计了时钟电路模块，能实现对温度的实时测量。本设 计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及 pt100 自身的误差，使温控精度在 0100范围内达到0.1。本文采用 at89s51 单片机，tlc2543a/d 转换器，ds1302 时钟芯片，ad620 放大器，铂电 阻 pt100 及 6 位数码管组成系统，编写了相应的软件程序，使其实现温度的实时显 示。该系统优点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用对象广。 主控芯片根据设定的温度条件输出控制信号，启动喷水设备对刹车系统降温；在手 动方式下，也可以控制主控芯片启动喷水设备，降低刹车系统的温度。使用该系统， 既可减缓刹车系统工作零件因温度过高而加速氧化的问题，增加刹车系统的使用寿 命，还能减少因热衰退现象而造成的车辆行驶安全隐患，保持刹车系统性能稳定， 提高行驶的安全性。 货车轮毂温度测控系统设计 第 6 页 共 45 页 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外温度测控系统研究国外温度测控系统研究 国外对温度控制技术研究得比较早，开始于 20 世纪 70 年代左右，先是采用模 拟式的组合仪表，采集现场的信息并进行指示、记录和控制等，80 年代末出现了分 布式的控制系统，目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系 统。现在世界各国的温度测控技术发展十分迅猛，一些国家在所实现自动化的基础 上正向着完全自动化、无人化的方向发展。 1.2.2 国内温度测控系统研究国内温度测控系统研究 我国对于温度测控技术的研究较晚一些，开始与 20 世纪 80 年代左右。我国的 工程技术人员在吸收和借鉴发达国家温度测控技术的基础上，掌握了温度室内微机 控制技术，不过该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制的方面。我国在温度测 控设施计算机方面的应用，总体上正在从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合 性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制单参数单回路的系统居多，目前 还没有真正意义上所讲的多参数综合控制系统，与发达国家相比，我国的温度控制 系统方面仍然存在着比较大的差距。我国的温度测量控制现状还远远没有达到工厂 化的程度，生产实际中仍然存在着种种问题，存在着装备配套能力差，产业化的程 度地，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。 随着科技的发展和全球化的经济日益趋于整体化，以单片机为核心的控制温度 的系统必将成为单片机发展的整体趋势。在不久的未来，艺考着单片机控制温度所 带来的便捷将充斥着日常生活的各个方面，而且在工业化方面也将体现出单片机控 制温度系统所带来的益处。 1.3 研究内容研究内容 车辆在丘陵地带或坡道上行驶时频繁或长时间刹车，这会造成刹车鼓（盘） 、制 动蹄温度骤升（尤其是大型货车） ，轮毂温度聚增，严重发热，在剧烈高温下最终会 温度测控系统设计方案 第 7 页 共 45 页 导致刹车失灵，以及温度过高至使轮胎气压过高而出现爆胎现象而产生安全事故， 那么如何才能有效的避免制动过热现象呢？那就要有一套设备能有效解决制动过热 问题，本课题就是设计了一种大型货车制动过热自动控制系统装置。该系统是以铂 电阻 pt100 作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过单片机进行控制，用放大 器、a/d 转换器进行温度信号的采集。另外，还设计了时钟电路模块，能实现对温 度的实时测量。本设计采用了两线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减 小了测量电路及 pt100 自身的误差，使温控精度在 0100范围内达到0.1。 本文采用 at89s51 单片机，tlc2543 a/d 转换器，ds1302 时钟芯片，ad620 放大 器，铂电阻 pt100 及 6 位数码管组成系统，编写了相应的软件程序，使其实现温度 的实时显示。该系统点是：使用简便；测量精确、稳定、可靠；测量范围大；使用 对象广。主控芯片根据设定的温度条件输出控制信号，启动喷水设备对刹车系统降 温；在手动方式下，也可以控制单片机启动喷水设备，降低刹车系统的温度。 2 2 温度测控系统设计方案温度测控系统设计方案 2.1 温度测控系统的结构温度测控系统的结构 图图 1 1 温度测控系统的组成框温度测控系统的组成框 轮毂温度 传感器 控制器 执行机构 水箱 货车轮毂温度测控系统设计 第 8 页 共 45 页 2.1.1 温度传感器安装位置温度传感器安装位置 温度传感器的安装对设计装置的控制精度和它本身的使用寿命匀有很大的影响， 那怎么去解决这个问题，下面就介绍一下影响温度传感器使用寿命的几个因素：1 使用温度传感器的温度的不能高与它本身的使用范围，而且必须对它的温度有留有 一定的温度空间。2 要使测出的温度能如实反映要测的温度。3 防止静电产生，尽可 能与电热部分绝缘。4 要保持输出端的清洁干净，避免发生短路、断路、生锈，接 触不良的现象。 很多车辆同时使用盘式制动器和鼓式制动器，盘式制动器多用于前轮上，而鼓 式制动器用于后轮，盘式制动器摩擦力由制动片产生，这些制动片被挤压和夹紧到 制动盘上，制动盘安装在车轮上。制动盘为铸造件，对它的两侧进行机加工。制动 片附在金属板上，金属板由液压系统中的活塞推动。对两种不同的制动器，可采取 不同的安装方法，以利于传感器的测量精度和使用寿命。 盘式制动系统的活塞安装在制动钳里或固定在制动钳上，制动钳不转动，因为 它与车辆底盘相连接。制动钳由液压活塞、缸体、密封圈、弹簧以及用来产生活塞 与制动片推动力的液压油通道。制动片垂直作用于转动的制动盘上。考虑到如果将 pt100 传感器安装在制动片或制动钳上，喷头喷水会使温度传感器检测失误，并且 工作环境恶劣，暴露在空气中，所以最好将其安装在轮毂内，如转速传感器那样安 装。 2.1.2 温度传感器的选择温度传感器的选择 大型货车行驶时频繁或长时间刹车会导致轮毂发热，温度可以高达 300，所 以本课题中的主要技术指标：1.测温范围，-200650 摄氏度；2.测温精度，0.1 摄氏 度。 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度 传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离， 检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温 度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场 温度测控系统设计方案 第 9 页 共 45 页 合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温 度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为 热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻， 后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、 高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如 pt100、pt1000 等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如 dallas 公司 ds18b20，maxim 公司的 max6576、max6577，adi 公司的 ad7416 等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如 pt100 该温度传感器 为单总线技术，maxim 公司的 2 种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出， 其本质均为数字输出，而 adi 公司的 ad7416 的数字接口则为近年也比较流行的 i2c 总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但 这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55+125，而且温度的测量精 度都不高，好的才0.5，一般有2左右，因此在高精度的场合不太满足用户的 需要。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、 制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的 热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶 使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误 差、动态误差以及使用的仪表误差等。 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低， 这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高， 反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前 运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在 非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影 响。 由于本设计的任务是要求测量的范围为 0300，测量的分辨率为0.1，综合 价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的 pt100 作为本课题的温度传感器， 货车轮毂温度测控系统设计 第 10 页 共 45 页 具体的型号为 wzp 型铂电阻，该传感器的测温范围从200650。 温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以 及新兴的智能型传感器。 方案一：采用模拟分立元件 如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单， 且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 方案二：采用温度传感器 通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到 a/d 转换芯片，将 模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过 led 显示温度。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定， 使用方便，测量范围为-200650，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度 是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻 pt100 作为传感器。该方案采用热电阻 pt100 做为温度传感器、ad620 作为信号放大器，tlc2543 作为 a/d 转换部件，对 于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案一，在功能、性能、可 操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完成本次设计。 2.2 温度控制器功能设计温度控制器功能设计 遥控发射接收装置控制大型货车制动过热自动控制系统的开启或关闭，有自动 和手动两种工作模式；自动方式下，pt100 温度传感器通过感应当前刹车毂或止动 蹄上的温度，对刹车系统温度进行实时监测，温度信号输入到主控芯片(at89c51 单片机)，主控芯片根据设定的温度条件输出控制信号，启动喷水设备对刹车系统降 温；在手动方式下，也可以控制单片机启动喷水设备，降低刹车系统的温度。 1）有遥控功能，有手动和自动两种工作模式。 2）在自动模式下，行驶或者制动过程中，温度传感器感应到温度，当温度大于 80 度小于 120 度时，大型货车制动过热自动控制系统就会自动打开一个电磁阀并且 水泵吸水，通过喷头喷水冷却刹车毂；当大于 120 度小于 150 度时，大型货车制动 过热自动控制系统就会自动打开两个电磁阀，水泵吸水，通过喷头喷水冷却刹车毂； 温度测控系统设计方案 第 11 页 共 45 页 大于 150 度时，大型货车制动过热自动控制系统就会自动打开三个电磁阀，水泵吸 水，通过喷头喷水冷却刹车毂，并且系统就会自动报警，驾驶者可采取措施。 3）对各个车轮的温度实时检测，二极管绿灯亮表示车轮温度到达 80 度，二极 管黄灯亮表示车轮温度在 120 度至 150 度之间，闪烁二极管发光表示车轮温度大于 150 度，由此提醒驾驶者。 4）在手动模式下，通过对各个车轮温度的实时检测，可以对单个车轮的喷水设 施进行控制，以解决转向刹车时单个车轮温度过高的问题。 5）当水箱中的水用完，位置传感器检测到，系统就会自动报警，制动过热自动 控制系统停止工作。 2.3 执行机构执行机构 本系统主要包括 4 个功能单元：温度检测单元、液位检测单元、人机接口单元 以及单片机控制单元，各个单元之间的联系如图 2 所示。 液位检测温度检测人机接口 at89c51 温度信号 参数输入 液位信号 控制输出 显示输出 图图 2 2 系统框图系统框图 该系统包含由 at89c51 单片机，蜂鸣器，电磁阀，pt100 温度传感器， 2262，2272 遥控发射接收装置，圆柱电容开关式传感器，由 3 组加了阀门的导管， 12 个喷水量相同的喷头，4 个 12v 水泵，2262，2272 遥控发射接收单元，发光二极 货车轮毂温度测控系统设计 第 12 页 共 45 页 管，普通二极管，电源单元组成。实际使用中，将本系统与普通的喷淋设备组合， 即可实现刹车系统温度的自动控制。当系统工作时， 利用 12 v 车辆电源，通过 lm7805 芯片稳压至 5 v 后供电。系统支持温度多点测量，每隔 1 s 对刹车系统温度 进行检测，当温度超过设定界限值时，由单片机发出控制信号，启动喷淋设备，对 刹车系统进行点射式喷水降温。同时，该系统也提供了简易的水箱液位检测功能， 当水箱缺水时，自动发出报警。该制动过热自动控制有遥控功能，有手动自动模式， 根据感应温度自动洒水，水箱水位过低自动报警并自动切断电源功能，对各个车轮 温度实时监控等功能。本系统在实际使用方便，无需由使用者进行复杂的初始化， 并且系统还提供了一 个基本的人机接口单元，使用者通过该单元,可进行遥控控制。 3 电路硬件设计电路硬件设计 系统的工作原理：测温的模拟电路是把当前 pt100 热电阻传感器的电阻值，转 换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给 a/d 转换器把模拟电压转为数 字信号后传给单片机 at89s51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电 阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。另外，外接一个时钟芯片 ds1302 产生时钟信号送入到单片机中进行处理控制，并将时间显示出来，以实现温 度的实时监控。 本设计系统主要包括温度信号采集单元，时间信号采集单元，单片机数据处理 单元，时间、温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、 温度信号的获取电路（采样） 、放大电路、a/d 转换电路。 系统的总结构框图如图 3 所示。 信号放 大调理 电路 pt100 温 度传感 器 a/d 转 换电路 时钟电 路 按键控 制电路 at89s51 单片 机 led 数 码管显 示电路 温度测控系统设计方案 第 13 页 共 45 页 图图 3 3 系统的总结构框图系统的总结构框图 3.1 pt100pt100 传感器特性和测温原理传感器特性和测温原理 电阻式温度传感器(rtd，resistance temperature detector)是指一种物质材料作 成的电阻，它会随温度的改变而改变电阻值。 pt100 温度传感器是一种以铂(pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数, 其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示： 在 0650范围内： rt =r0 (1+at+bt2) 在-2000范围内： rt =r0 (1+at+bt2+c(t-100)t3) 式中 a、b、c 为常数， a=3.9684710-3； b=-5.84710-7； c=-4.2210-12； 由于它的电阻温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温 度变化的关系式如下：r=ro(1+t) 货车轮毂温度测控系统设计 第 14 页 共 45 页 其中 =0.00392，ro 为 100(在 0的电阻值)，t 为华氏温度，因此铂做成的 电阻式温度传感器，又称为 pt100。 pt100 温度传感器的测量范围广：-200+650，偏差小，响应时间短，还 具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计 即采用 pt100 作为温度传感器。 主要技术指标：1. 测温范围：-200650 摄氏度；2. 测温精度：0.1 摄氏度； 3. 稳定性：0.1 摄氏度 pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将 电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再 由处理器换算出相应温度。采用 pt100 测量温度一般有两种方案： 方案一：设计一个恒流源通过 pt100 热电阻，通过检测 pt100 上电压的变化来 换算出温度。 方案二：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用 pt100 热电阻，当 pt100 电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。 两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。 3.2 恒流源电路恒流源电路 从上述关于 pt100 传感器测温原理可知，由 pt100 构成信号的获取电路常用的 方法有 2 种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的 问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器， 温度传感器两端的电压即反映温度的变化。 温度测控系统设计方案 第 15 页 共 45 页 a a 图图 单臂桥式单臂桥式 b b 图图 恒流源式恒流源式 图图 4 4 两种信号获取的结构电路两种信号获取的结构电路 根据测试技术的有关知识，图 4 中的 a 图的输出与电阻的阻值不是个正比的关 系，因而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非线性的问题；而图 b 的由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采 用恒流源电路来获取温度信号。 恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉 的器件通过比较巧妙的设计构成的，本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的， 恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路见下图 5 所示。 r161.5k 1 3 2 7 lm 336-2.5v 8 5 3 2 6 74 1 u1 op-07 vr3 10k r17 500 r11 pt100 +12v -12v vcc 2 3 图图 5 5 由运放构成的恒流源电路由运放构成的恒流源电路 上图中，由于运放虚地的结果，造成 op-07 的反相输入端为 0v，而图中 1.5k 电阻的下端由于运用精密的电压源 lm336-2.5，外加调整电路，该点电压可调整为 2.500v，而由于运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此从 1.5k 电 货车轮毂温度测控系统设计 第 16 页 共 45 页 阻上流过的电流大小固定而且一定等于 op-07 输出端流入温度传感器 pt100 的电流， 从而达到恒流的效果，连接 pt100 两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的 放大器。 这里值得注意的是恒流效果的好坏与下面几个因素有关，图示 1.5k 电阻的精度 及温度稳定性要好，我们采用的是高精度高稳定的电阻；还有是一定要选择输入阻 抗高的运放，包括产生虚地处的运放（图中 op-07）和后级的放大器（图中的 ad620） ，否则较大的输入电流也将直接影响恒流的效果；最后一点是参考电压（图 中是2.5v）的稳定性要高，这里的参考电压采用是 lm336-2.5v 作为参考电压基 准。 3.3 放大电路的设计放大电路的设计 放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在放大 器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要 求的大多采用自制的三运放结构，如下图 7 所示，三运放中由 a1、a2 构成前级对 称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器 高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件 r1 与 r2、r3 与 r4、r5 与 r6，还包括 a1 与 a2 放大器的一致性，因此，要自制高性能 的放大器对器件要求相当高。随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能 的仪用放大器，它的内部核心结构还是三运放，但是，采用微电子来解决刚才的参 数匹配问题已不是什么复杂的问题。 + - a1 + - a2 + - a3 r2r1 r7r6 r3 r5 r4 v in v out 图图 6 6 三运放结构的高性能放大器原理图三运放结构的高性能放大器原理图 随着近年来微电子技术的发展，市面上出现了不少专用的高性能的芯片， ad620、ad623 就是具有上述描述的三运放结构，在本设计中我们根据手中的元器 温度测控系统设计方案 第 17 页 共 45 页 件材料最终选择了 ad620 作为放大器电路的首级放大。 ad620 是低价格、低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置 11000 倍的放大增益，它具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精 度，特别适合于精确的数据采集系统，如称重和传感器接口，也非常适合医疗仪器 的应用系统（如 ecg 检测和血压监视） 、多路转换器及干电池供电的前置放大器使 用。 ad620 的内部结构是由 op-07 组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放 ic 电路设计，其基本接法是在 1 脚与 8 脚之间外接一 rg 电阻，增益由式 g=1+49.4k/rg 确定，由于它的外围电路十分简单，所以它在本系统中的应用见 下图 8 所示。 由于我们的温度测量范围是 0300，而此时的温度传感器的电阻值根据分度 表为 100 欧姆138.51 欧姆，由于我们设计的恒流源为 5/3 毫安，因此 ad620 的输 入端为 166.7 毫伏，假设考虑我们的 tlc2543 的最大输入为 5.000v，我们设计的放 大器的增益在尽量保证分辨率的条件下，则为 20 倍，假设我们只用一个 ad620， 则 ad620 的输出为 2v5v(tlc 只能转换 5v)，这样 12 位的 a/d 转换器的分辨率 则大于题目的要求 0.1，因此，我们必须将 100 欧姆以下的值通过偏置的方法将其 减掉，然后通过增加放大倍数来尽量提高分辨率，这里我们设计的偏置电路同样见 下图 2-4 所示。这里设计的首级放大器的倍数是 20 倍，而后级放大则为 4 倍，合计 的放大倍数为 80 倍，这样就完全满足设计分辨率的要求。 r9 10k r7 40k 8 5 3 2 6 74 1 u3 ad620 8 5 3 2 6 74 1 u2 op-07 vr1 2k r8 2k vr2 4k vcc +12v -12v +12v -12v r10 10k a0 2 3 传传传传 传传传1传传传2传传传传传 传传传传传传传传 图图 7 7 放大电路放大电路 3.4 a/da/d 转换器的选择与设计电路转换器的选择与设计电路 货车轮毂温度测控系统设计 第 18 页 共 45 页 在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号 进行处理，则需要将其转换成数字量，a/d 转换器就是为了将连续变化的模拟量转 换成计算机能接受的数字量。根据 a/d 转换器的工作原理，常用的 a/d 转换器可分 为两种，双积分式 a/d 转换器和逐次逼近式 a/d 转换器。 3.4.1 双积分双积分 a/da/d 转换器工作原理转换器工作原理 双积分 a/d 转换器采用间接测量的方法，它将被测电压转换成时间常数 t，双 积分 a/d 转换器由电子开关，积分器，比较器，计数器和控制逻辑等部分组成。 所谓双积分就是进行一次 a/d 转换需要两次积分。电路先对被测的输入电压 vx 进行固定时间(t0)的正向积分，然后控制逻辑将积分器的输入端通过电子开关接 参考电压 vr，由于参考电压与输入电压反向且参考电压值是恒定的，所以反向积分 的斜率是固定的，从反向积分开始到结束，对参考电压进行反向积分的时间 t,正比 于输入电压。输入电压越大反向积分时间越长，用高频标准脉冲计数测此时间，即 可得到相应于输入电压的数字量。特点：可以有效的消除干扰和电源噪声，转换精 度高，但是转换速度慢。 3.4.2 逐次逼近型逐次逼近型 a/da/d 转换器工作原理转换器工作原理 逐次逼近型 a/d 转换器由 d/a 转换环节，比较环节和控制逻辑等几部分组成。 其转换原理为：a/d 转换器将一待转换的模拟输入电压 ui 与一个预先设定的电压 ui（预定的电压由逐次逼近型 a/d 转换器中的 d/a 输出获得）电压相比较，根据预 设的电压 ui 是大于还是小于待转换成的模拟输入电压 uin 来决定当前转换的数字量 是“0” 还是“1”，据此逐位比较，以便使转换结果（相应的数字量）逐渐与模拟 输入电压相对应的数字量接近。 在本设计系统中，为了将模拟量温度转换成数字量，采用德州仪器公司生产的 12 位开关电容型逐次逼近模数转换器 tlc2543，它具有三个控制输入端，采用简单 的 3 线 spi 串行接口可方便地与微机进行连接，是 12 位数据采集系统的最佳选择器 件之一。 温度测控系统设计方案 第 19 页 共 45 页 tlc2543 与外围电路的连线简单，三个控制输入端为 cs(片选)、输入/输出时 钟(i/o clock)以及串行数据输入端(data input)。片内的 14 通道多路器可以选 择 11 个输入中的任何一个或 3 个内部自测试电压中的一个，采样保持是自动的， 转换结束，eoc 输出变高。 3.4.3 tlc2543tlc2543 的主要特性的主要特性 (1) 11 个模拟输入通道； (2) 66ksps 的采样速率； (3) 最大转换时间为 10s； (4) spi 串行接口； (5) 线性度误差最大为1lsb； (6) 低供电电流(1ma 典型值)； (7) 掉电模式电流为 4a。 tlc2543 的引脚排列如图 8 所示。 a0 1 a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 a6 7 a7 8 a8 9 gnd 10 a9 11 a10 12 r- 13 r+ 14 /cs 15 do 16 di 17 clok 18 eoc 19 vcc 20 tlc2543 图图 8 8 tlc2543tlc2543 的引脚的引脚 ain0ain10：模拟输入端，由内部多路器选择。对 4.1mhz 的 i/o clock， 驱动源阻抗必须小于或等于 50。 cs：片选端，cs 由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能 data out、data input 和 i/o clock。cs 由低到高的变化将在一个设置时 间内禁止 data input 和 i/o clock。 货车轮毂温度测控系统设计 第 20 页 共 45 页 data input：串行数据输入端，串行数据以 msb 为前导并在 i/o clock 的 前 4 个上升沿移入 4 位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压， 之后 i/o clock 将余下的几位依次输入。 data out：a/d 转换结果三态输出端，在 cs 为高时，该引脚处于高阻状态； 当 cs 为低时，该引脚由前一次转换结果的 msb 值置成相应的逻辑电平。 eoc：转换结束端。在最后的 i/o clock 下降沿之后，eoc 由高电平变为低 电平并保持到转换完成及数据准备传输。 vcc、gnd：电源正端、地。 ref、rfe：正、负基准电压端。通常 ref接 vcc，ref接 gnd。最 大输入电压范围取决于两端电压差。 i/o clock：时钟输入/输出端。 tlc2543 每次转换和数据传送使用 16 个时钟周期，且在每次传送周期之间插 入 cs 的时序。根据 tlc2543 时序图可以看出，在 tlc2543 的 cs 变低时开始转换 和传送过程，i/o cl