基于温度传感器和AD574转换器实现计算机瞬态记录系统的设计

1. 前言

在金属热处理工艺中，需要使用温控开关，来控制加热的温度，一般采用温控开关对烘箱的温度进行控制，各种温控开关的工作机理虽然各不相同，但都能在设定的温度点断开或接通电源。随着对材料要求的不断提高，热处理过程中对温度的控制范围和频率响应也提出了更高的要求。本系统使用了频响较高的温度传感器，设计了计算机瞬态记录系统，满足了使用要求，试验中获取了较稳定的数据。

2. 原理及系统组成

根据要求，该计算机控制的多点测试系统必须能做到：

（1） 一次可以同时测试多个样品；

（2） 测试并保存每个温控开关样品的断开点及恢复点温度；

（3） 打印出每一温控开关样品的断开点及恢复点温度值；

（4） 自动控制烘箱的加热速度。

计算机测试系统主要由传感器、信号调理、采集、系统软件和计算机等组成，见图1。

2.1 工作原理

加热炉工作时，传感器周围温度发生变化，导致传感器电阻值发生变化，产生电信号。电信号通过信号调理器调整后，由采集器将信号采集，然后送入计算机进行处理。由于传感器环境温度的变化对应着阻值的变化，通过一定的算法、计算处理，即可测出瞬态温度。信号变送器设有调零电位器，通过系统调零，可以防止数据采集时系统误触发。

2.2 系统各组成部分说明

2.2.1 温度传感器

温度传感器是以白金为材料。通过特殊的工艺方法加工而成，响应时间约几个毫秒。温度传感器工作时，所需的恒流源由信号调理器供给。在一定温度时，传感器两端为一个恒定阻值，由于通过温度传感器的电流恒定不变，传感器输出为一个稳定的电压值。当温度在瞬间发生变化时，用纯金属加工的温度传感器，电阻阻值在瞬间内也发生变化，利用电阻的变化，即可测出温度的变化值。

2.2.2 信号调理器

信号调理器由稳压源、恒流源、放大电路、调零电路等组成。

信号调理器工作时，先将输入的电源电压稳压后，供给恒流源电路。恒流源电路产生不大于10mA恒定的直流电流后供给温度传感器。当传感器有电信号输出时，信号调理器将传感器输出的电信号，调整到测试系统记录的电压范围内。转化成电压随温度的变化，再经过A／D转换器将模拟信号转换成数字量，由计算机进行数据采集及处理。因每次需要测量每个温控器样品，而烘箱内的温度分布不均匀，所以设计时将烘箱内的被测样品按区划分。在每个区用一个传感器测量该区的温度，尽可能地减小由于烘箱内温度分布不均匀而造成的测量误差。

信号调理器选用PC-6502热电阻接口板。测量范围为-50℃～+1750℃，有八路输入通道，精度为0.1％，测量方式为恒流激励三线式。

2.2.3 A／D转换器

信号调理器转换输出的随温度变化的电压信号，经过A／D转换器转换成数字信号由计算机采集及处理。为了保证测量精度，系统中采用了自行研制的12位A／D转换接口板，以AD574为转换器核心，用LF398作为采样／保持器。

AD574是快速12位逐次逼近式A／D转换器，是由美国Analog Device公司生产的，它只需外接少量元器件就可独立完成A／D转换功能，其控制信号CE、CS、R／C、12／8、A0等信号的组合功能如表1。

2.2.4 温控开关状态接口电路

温控开关的通断状态可通过一组I／O口输入计算机，本系统中采用了可编程的并行I／O接口芯片8255，该芯片具有三个并行I／O口，可以通过软件对其编程，使A口、B口、C口全部工作在输入方式，则一片8255可检测24只温控开关，采用八片8255，一次测试可同时检测多只样品。每次测试其通断状态时，同时测试该温控开关所在区域的温度值。

2.2.5 烘箱加热速度控制

烘箱加热速度的快慢直接影响到样品测试速度及准确性，一般在同一批次中，温控开关的通断点温度都比较接近。而样品放人烘箱后，温度从室温开始，一直到接近样品断开点温度时的加温过程中，不会有温控开关动作，所以在这一段加热时间内，可以让所有电热丝全部工作，以提高加热速度，减少测试时间，在快接近断点温度前及在断点温度附近则为了升温均匀及测试准确，采用逐根断开电炉丝的办法来减慢加热速度，待全部检测完毕后，所有电炉丝亦已全部断开，则可进入自然冷却阶段，开始测试样品的接通点温度值。

2.2.6 采集电路

采集电路用于记录传感器输出的电信号。系统工作时，模拟转换开关将信号调理器送来的连续的多路模拟信号变为一系列的串行脉冲信号，经缓冲放大，送入A／D转换电路。A／D转换器将缓冲放大器送来的脉冲信号变为数字信号，并存入缓冲存贮器中，采集结束后将信号由缓冲存贮器调入计算机中，最终将数据存入计算机内。

3. 软件设计

系统的测试是通过测试软件控制的，软件的开发必须做到：

（1） 检测并记录多个温控开关的断开点温度及恢复点温度；

（2） 按区划分测量出八点均匀分布点的温度，并对相关点作适当的补偿；

（3） 根据每批产品的温度特性，设定温度测定范围以便对烘箱的加热速度进行合理控制；

（4） 保存测试参数，并随时打印出参数表。

3.1 软件模块的设计

软件的设计包括五个独立的功能模块。分别为：

（1） 调文件，可以调入以前任一时刻的测试数据。

（2） 存文件，将正在测试的数据存盘备份。

（3） 打印，将测试的数据打印出来，作为产品参数标准。 温度设置，主要用来设置被测温度范围，由此温度范围为依据，来控制烘箱的加热速度。

测试，该模块主要完成功能为：

（1） 初始化，包括将用于控温开关状态接口的8255编程设置为输入方式，温控开关全部接通使三根电炉丝同时加热等。

（2） 读人I／O状态，判断各温控开关的通断状态。

（3） 分区读入各温度测试点的温度值，将此时的温度值赋给有通断变化的温控开关样品，并在监视器上相应的位置显示该温度值。

（4） 根据选定点的温度值，与设定的最低温度、最高温度之间的关系来控制烘箱加热电炉丝的通断，以控制加热速度。

3.2 提高测量精度的措施

为了保证温度测量的精度，除了在硬件上采取必要的措施如采用12位A／D转换外，软件上也要采取相应的措施，本系统中采用了多点平均算法。由于A／D采样用的是AD574芯片，其转化速率典型值为25μs，而温度不可能有突变，所以我们对每一温度点采样100个点，然后排序，去掉最大的和最小的各10点，用剩余的80点进行平均，这样可使测试过程中的误差大为减小。

4. 测试结果

该系统对多次加热炉温控进行了测试，获取了较稳定的数据。已使其测试精度、速度都超过了原定的设计要求，温度测量精度≤0.5%，大大提高了工作效率，产品的质量得到了更进一步的保证。

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