溫度安全檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙志峰，劉 杭，何雨軒

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

由于中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和加強(qiáng)教育質(zhì)量的要求，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的需求越來越重要。為了達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高其工程綜合應(yīng)用能力的目標(biāo)，并根據(jù)安全專業(yè)特色，研制一套溫度安全檢測(cè)傳感實(shí)驗(yàn)裝置。由于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)要求精度高且反應(yīng)迅速，而且實(shí)驗(yàn)裝置需要不復(fù)雜適合學(xué)生操作，所以選擇K 型熱電偶作為本系統(tǒng)的溫度傳感器[1]。K型熱電偶具有價(jià)格便宜，生產(chǎn)方便，性能優(yōu)越，輸出信號(hào)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且測(cè)溫范圍在0℃～1600℃之間，滿足實(shí)驗(yàn)室液體溫度檢測(cè)的大多數(shù)需要。根據(jù)安全工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)溫度檢測(cè)的需求，本系統(tǒng)主要由控制柜、加熱坩堝爐和溫度檢測(cè)裝置構(gòu)成，主要可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體溫度進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定目標(biāo)溫度值并對(duì)液體進(jìn)行加熱等功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于AT89C51 單片機(jī)芯片的液體溫度檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1 所示。其主要組成部分包括電源電路、按鍵電路、溫度采集模塊、AT89C51 芯片、顯示模塊、加熱電路。溫度采集模塊主要由A/D 轉(zhuǎn)換模塊、K 型熱電偶溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，主要是把液體溫度通過溫度傳感器檢測(cè)出來，并通過信號(hào)調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換模塊把溫度傳感器傳出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳輸?shù)紸T89C51 芯片中；按鍵電路主要是通過按鍵對(duì)目標(biāo)溫度值進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定；電源電路主要是對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊進(jìn)行供電；AT89C51 芯片主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和判斷，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制；加熱電路主要是由固態(tài)繼電器和電加熱器構(gòu)成，主要是對(duì)被檢測(cè)的液體進(jìn)行加熱；顯示模塊主要是通過LED 顯示屏把實(shí)際檢測(cè)溫度和設(shè)定的目標(biāo)溫度值顯示出來。

圖1 溫度檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design of temperature detection system

2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物裝置主體部分主由加熱裝置和控制裝置構(gòu)成，加熱裝置主要由電熱坩堝爐、不銹鋼保護(hù)筒壁組成，控制裝置主要由溫度顯示屏、控制按鍵、信號(hào)調(diào)理電路、指示燈組成，加熱裝置和控制裝置之間通過電源線、信號(hào)傳輸線、液體輸送管道進(jìn)行連接。熱電偶溫度傳感器安裝在電熱坩堝爐外側(cè)，方便對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，同時(shí)在坩堝爐與筒壁之間采用隔溫材料對(duì)坩堝爐的溫度進(jìn)行隔絕，防止加熱裝置燙傷實(shí)驗(yàn)人員。控制裝置通過信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)傳輸線跟溫度傳感器進(jìn)行連接，溫度傳感器的信號(hào)通過轉(zhuǎn)換之后傳給單片機(jī)芯片，經(jīng)過邏輯運(yùn)算之后實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的加熱和溫度數(shù)值的數(shù)值輸出與顯示。

2.1 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)功能主要是通過溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)調(diào)理電路這些線路實(shí)現(xiàn)[2]。

在本測(cè)溫裝置的測(cè)溫元件采用的是K 型熱電偶傳感器，其測(cè)溫檢測(cè)范圍在0℃～700℃。在測(cè)溫過程中，傳感器產(chǎn)生電壓最大只達(dá)到29mV，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸入電壓，所以需要通過調(diào)理電路把傳感器產(chǎn)生的微弱電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行放大[3]。信號(hào)調(diào)理這部分的電路主要分成兩個(gè)部分：第一部分采用AD595 芯片對(duì)電壓的數(shù)量級(jí)進(jìn)行放大，第二部分通過OP07 芯片[4]把電壓調(diào)至A/D 模塊需求電壓的范圍之內(nèi)，溫度檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2 溫度檢測(cè)電路圖Fig.2 Temperature detection circuit diagram

液體溫度所檢測(cè)的溫度范圍要求為0℃～700℃，考慮到溫度檢測(cè)精度和裝置制作成本等原因，A/D 模塊類型考慮采用串行式，所以最后采用MAX1241 芯片來轉(zhuǎn)換信號(hào)。

2.2 加熱電路的設(shè)計(jì)

加熱電路主要由加熱器、繼電器和其它相關(guān)電路構(gòu)成，考慮到電阻式加熱器穩(wěn)定、簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，符合實(shí)驗(yàn)室液體加熱的所有要求，所以加熱器選用電阻式加熱器。加熱器由承裝液體的坩堝容器和加熱電阻絲組成，電阻絲在坩堝容器的底部鋪有兩層，呈圓環(huán)形狀。這樣有利于對(duì)坩堝內(nèi)的液體均勻加熱。繼電器主要是用來控制加熱器對(duì)液體加熱的啟停，在溫度數(shù)值比設(shè)定數(shù)值小時(shí)，繼電器會(huì)傳出高電壓，此時(shí)加熱電路會(huì)被連通，開始對(duì)液體進(jìn)行加熱；當(dāng)溫度數(shù)值不比設(shè)定數(shù)值小時(shí)，繼電器輸出低壓電平，這個(gè)時(shí)候加熱電路不導(dǎo)通，加熱電路不工作。

2.3 顯示與按鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的顯示電路主要是通過共陽極數(shù)碼管和相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)的，主要作用是把被測(cè)液體的溫度值及時(shí)傳遞給實(shí)驗(yàn)人員，通過數(shù)碼顯示屏把檢測(cè)溫度值和設(shè)定溫度顯示出來，方便實(shí)驗(yàn)人員能實(shí)時(shí)對(duì)液體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠防止出現(xiàn)裝置內(nèi)溫度加熱過高而出現(xiàn)危險(xiǎn)情況[5]。

在系統(tǒng)中按鍵的作用主要是改變被測(cè)液體的加熱溫度值，就是通過設(shè)立兩個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)被測(cè)液體溫度值改變。這兩個(gè)按鍵分別是對(duì)溫度數(shù)值進(jìn)行加和減操作，這樣就可以通過改變溫度數(shù)值來加熱被測(cè)液體，觀察和檢測(cè)不同溫度下液體的性質(zhì)。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)主要是為了解決系統(tǒng)中各種元器件所需電壓不同的問題。本實(shí)驗(yàn)裝置各級(jí)電路主要需要+5V、+15V、-15V 的電平[6]。+5V 分別是給單片機(jī)芯片、顯示電路、繼電器、A/D 轉(zhuǎn)換電路供電，+15V 主要是給調(diào)理電路供電，-15V 是用來給OP07 芯片提供能量[7]。

3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序框圖如圖3 所示。首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化和對(duì)按鍵進(jìn)行設(shè)置[8]，當(dāng)這些完成之后執(zhí)行溫度采集功能和液體加熱功能，同時(shí)顯示設(shè)定溫度和被測(cè)液體實(shí)際溫度，再把兩個(gè)溫度進(jìn)行對(duì)比。如果實(shí)際溫度值小于目標(biāo)溫度時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)加熱直到實(shí)際溫度值等于目標(biāo)溫度值時(shí)，停止加熱[9]。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flowchart

4 系統(tǒng)仿真與裝置實(shí)物

4.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真通過protues 軟件進(jìn)行。整個(gè)系統(tǒng)的元器件連接和電路搭建都在其中完成，整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制和功能實(shí)現(xiàn)都通過keil 編寫程序?qū)崿F(xiàn)，然后系統(tǒng)的控制程序通過keil 軟件進(jìn)行編寫，最后導(dǎo)入到protues 中進(jìn)行仿真。為了方便仿真，在軟件仿真過程中把數(shù)碼管簡(jiǎn)化到了一個(gè)，在屏幕中前3 位是實(shí)驗(yàn)人員通過按鍵進(jìn)行設(shè)定的目標(biāo)溫度值，后面3 位顯示傳感器檢測(cè)出液體溫度值。圖4 和圖5 分別表示目標(biāo)加熱溫度為50℃和實(shí)際檢測(cè)到液體溫度為34℃的情況。

圖4 目標(biāo)溫度值50℃Fig.4 Target temperature value 50℃

圖5 實(shí)際溫度34℃Fig.5 Actual temperature 34℃

4.2 溫度檢測(cè)裝置實(shí)物展示

圖6為液體溫度檢測(cè)裝置的實(shí)物圖，在完成仿真確定方案可行之后，將溫度檢測(cè)裝置制作出來。其主要有兩部分控制柜和加熱爐，通過加熱爐對(duì)液體進(jìn)行加熱，通過控制柜可以對(duì)加熱目標(biāo)溫度進(jìn)行控制和顯示檢測(cè)到液體的實(shí)際溫度，并通過液體溫度檢測(cè)裝置進(jìn)行簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)。由于液體危險(xiǎn)化學(xué)品獲取麻煩而且實(shí)驗(yàn)中會(huì)具有一定的危險(xiǎn)性，所以將水作為被測(cè)對(duì)象。在圖6 中可知水剛開始的溫度是21℃，通過一段時(shí)間的加熱之后，達(dá)到了37.5℃。

圖6 溫度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of temperature detection system

5 結(jié)論

本次溫度檢測(cè)裝置主要以AT89C51 單片機(jī)為主控核心，結(jié)合K 型熱電偶溫度傳感器設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)電路，采用繼電器控制電阻式加熱器啟停的方式來對(duì)液體進(jìn)行加熱，使用液晶顯示屏對(duì)系統(tǒng)中的溫度數(shù)值進(jìn)行顯示，使用按鍵對(duì)液體的目標(biāo)溫度進(jìn)行設(shè)定。電源電路主要是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元器件進(jìn)行不同電壓等級(jí)的供電，通過在proteus 軟件上對(duì)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行搭建和在keil 軟件上對(duì)系統(tǒng)的控制程序進(jìn)行編寫[10]，并進(jìn)行仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件方案是否可行，最后制作出溫度檢測(cè)裝置的實(shí)物。在實(shí)際中，用水作為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明該裝置操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)精確，能完美適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于液體溫度檢測(cè)的需求。