基于EDA技术的热温安全监测系统研究

胡景勤

摘要：为了加强热高温工作环境的对外对内的安全监控防范功能，设计了一种基于EDA技术的热温安全监测系统。以单片微控制器为核心，采取Pt热线性电阻的多点采温方式;利用Multisim13对热温信号调理系统进行仿真分析，实现了三线制电桥的平衡补偿和三级线性负反馈放大功能;对前后工作平台，通过红外探测、语音播报、按键控制等进行双向安全检测。对系统测试分析，其热温度检测精度为0.5，非线性度为0.5%，能实时显示温度和安全监控，达到高精度温度安全监控设计目的，可用于家庭、商场、生产车间等亟须高温安全监测区域。

关键词：单片微控制器;EDA技术;热电阻Pt100;热温信号调理系统;热温安全监测系统

中图分类号：TN92      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）03-0101-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

在日常的生活生产实践中，温度是一个反映人们身体健康与环境安全的重要指标，体现在对热温度的感知、监测和控制等应用方面，其关键在于怎样搭建一个高精度的自动热温度安全监测系统。基于EDA技术的热温安全监测系统，其主要研究目标和方法是通过建立热温度感知模型，对热温度的传感测量特性进行深入分析，再对信号进行线性补偿和差分放大调理;利用Multisim软件，对系统进行仿真分析和标定静动态特性，以检验和提高温度测量的精确度;以微处理器驱动控制红外探测、语音提醒、温度控制，实现自动前台预警和后台安全监控功能。

2 热温度采集电桥电路设计

多路热温传感系统[1]，采用同等规格的铂热电阻模型，它在1200℃以下范围内，都具有精度高、稳定性好及很强的耐氧化性能等。进行多点温度采集，利用金属热电阻值与温度的近似线性关系，把温度变化转化成对应的电阻变化，选择合适的测量范围组成串联或并联电路，能有效地提高测量精度和灵敏度，通过传感从而获得全面精准的温度信息。

当采集热温度时，由于选择元器件、零点温度及线路连接方式，导致了温度传输的非线性。通過选择线性元件、电桥平衡和使用范围，进行零点补偿、温度补偿、结构补偿、线性化补偿等设计，可以最大限度地改善非线性和降低内外干扰噪声。

在实际测量中，铂热电阻感温元件，采用如图1所示的三线制补偿电桥 [2]， Rt 为热电阻，R1、R2和R4为桥臂电阻，r为未标出的对称分布的补偿引线电阻，Rw1为调零电位器，Rt要与3个桥臂等距离连接，可以最大幅度地减小引线电阻的温度漂移影响，能同时实现零点平衡调节、温度补偿和线性转化功能。

在Rw1接入电流计，调节Rw1值，改变电阻分配比，使检流计G示值为零，说明电桥达到平衡。采用并联电阻调平法，引入中间桥接电阻R3，R3越小可调节范围越大。当设置桥臂比R1/R2=1时，有最大的灵敏度，热电阻值与引入导线电阻无关，使电路得到温度补偿。

3 热温监测信号调理系统

高精度的热温监测信号调理系统[3]，是由热电传感器的敏感元件、转换单元、信号调理模块和电路供电电源等构成的，各部分协同实现对热温度的感知、监测和控制等功能，利用Multisim软件建立仿真模型对系统进行深入分析研究。

3.1 热温监测信号调理系统设计

热温信号调理系统是，由铂热电阻采集温度，经热电桥电路转换成电压信号，对电压信号进行线性放大，并选择输出经温度调制的电压信号。采用热电桥电路，易实现多点温度采集，可灵活设计零点补偿环节，具有从热温电阻到电压线性转化的高稳定性。采用对称差分放大的负反馈电路，可以抑制共模干扰、提高放大倍数和线性度。采用多级逐渐放大电路，电路具有紧密的跟随性，选择输出实时监测信号，降低了动态温度测量误差。在热温度采集电桥基础上，如图2所示为高精度信号处理系统[4]。采用三级渐进式线性放大电路，对输入的电桥输出电压信号调理。其中Bridge为热电阻感温电桥的输出电压端，Power 为运放电路的稳压供电电源。

采用运算放大器，它是一种线性化、高增益、低温漂的电压差动放大器，所选OP07是一种低失调、低噪声、高增益的双极性运算放大器，适用于对热温电阻传感器的微弱信号放大。输入放大级，采用两个运算放大器，构成同向输入并联差分放大，在两个反向端接入调节电阻Rw2，调节Rw2电阻值可以改变放大倍数。中间放大级，采用一个对称的差动输入的比例放大器，同时对等改变负反馈电阻值，可以调节放大倍数。输出放大级，采用反向的比例放大器，在反向端接入调零电阻Rw3。

3.2 热电阻测温系统综合分析

利用Multisim13.0软件，对于整个的热温度监测及信号调理系统进行仿真分析，确定各个元器件的特性参数[5]，以达到线性补偿和线性放大的传输转化监测目的。

在0～1000C范围内，选择标称热电阻Pt100，即00C阻值R0=100Ω，建立三线制的电桥仿真模型。选取直流电源电压V1=5V，利用V2压控热电Rt，压阻转换灵敏度为1Ω/V， Pt100的热温压控电阻转换关系为Rt=R0（1+At+Bt2），A=3.9684×10-3/0C，B= -5.847×10-7/0C 2。

在00C时，设置桥臂电阻值比为1，使灵敏度最大。调节电阻Rw1，设置电位器的%增量，按电阻调节键A，使调节电阻Rw2为最大值，再调节Rw3对测温放大电路调零。在1000C满量程时，调节电阻Rw2和负反馈电阻，输出10V满量程电压。

从温度T（V2模拟替代）、对应温度的Pt100的热电阻值Rt，转换为输出电压V（23） ，经过电桥采集、零点与满量程调节、线性补偿放大后，整个系统具有良好的线性补偿与放大转换的传输特性。

4 热温安全监测系统测试分析

热温安全监测系统，具有实时显示温度、安全监测、温控报警等功能。在通过LCD显示测量温度后，当有人出现在探测范围内时会发出语音提示，当温度超出设定范围时会发出报警信号，从而实现安全监控和确保生产所需温度。

4.1 热温安全监测系统工作流程

以热温安全监测主框架规划、组装和测试模块功能，如图3所示为系统运行流程图[6]。热温安全监测系统，以STC89C52单片微处理器为控制核心，其具有8K字节Flash闪存的低耗高性能特点。

利用多点温度采集的热电阻Pt100，它在较宽大的温度范围内，具有良好的热温电阻的线性关系，与外围电子元器件匹配，焊接热温度高精度信号调理电路[7]。由AD574模数转换器采集模拟温度信号，采用LCD1602液晶模块可以实现快速驱动、高清显示当前温度。采用E18-D80NK红外探测传感器，具有发射与接收一体化，经障碍物反射调制入射光信号，可探测距离2-80cm，角跨度为110度，有延时功能避免干扰信号影响，在设定范围内准确判断有无过路人。在检测到有行人时，利用ISD1760语音模块，具有灵活运行模式、可重复擦写、可调采样频率等完善的语音系统功能，可提供良好的语音播报品质。利用按键模块，可调节音量、亮度和温度范围，当超出温度设定范围时，会同时声光报警，驱动温控装置工作，如加热器或风机，实现安全温度运行环境。

4.2 热温安全监测系统测试分析

在单片机微控制下，主要从采集和显示温度、播报提醒语音、声光报警及其温度调节控制等进行性能测试分析。

对热温度高精度采集系统，以加热保温容器作为被测热温工作源，把热电阻PT100插入其中央测量温度。如表1所示，在0～10V与0～100 oC满量程下，获得的热电阻输入输出数据统计表，并对获得实验数据进行处理分析。由最小二乘法，可得到拟合直线为Uo = 0.0991T+0.0523，U为对应温度T的拟合电压值。计算其系统电压灵敏度Ku =0.0991V/oC，零点漂移ΔUo = 0.0523，非线性度γL=0.05/10=0.5%，热电阻监测系统精度为0. 5，表明能达到高精度温度检测设计目的。

对热温安全监控系统，主要测试近距离检测行人、前台语音提醒播报、后台温度安全监控等工作性能[8]。结合E18-D80NK红外探测传感器特性，设定检测距离范围，两个检测阈值点，即SL=2cm、SH=80cm，一个判断延时点t=3s。先设定语音内容，如“您已进入高温环境、当前工作环境温度为、请检测当前工作温度是否正常”，还有温度值音节“将0～9、十、点、度”;再利用ISD1760语音模块进行多次语音录制、播放或擦除操作，获得良好的语音效果。采用四个并联按键结构，分别为开关控制、设置阈值、升高温度、降低温度，把温度控制在安全工作范围内。如表2所示为热温安全检测系统性能测试数据表，表明系统能正常运行。

5 结束语

基于EDA技术的热温安全监测系统研究，以单片微控制器为核心，主要设计和实现了对热温度的实时监测、高精度传输和安全监控功能。采用标称Pt热电阻的多点最近接触的感温方式，它在较大的范围内热电阻随温度作线性变化。热温信号调理系统，采用具有平衡补偿功能的三线制输入电桥，采用三级线性放大电路，经同向输入并联差分放大、对称输入的反馈放大、反向的比例放大;利用Multisim13绘制热温监测仿真系统，由电压V等比例模拟温度T，进行参数扫描分析确定合适的元器件参数，进行传递函数分析与直流扫描分析，确保了输入与输出之间存在良好的线性传输特性。热温安全监控系统，通过AD转换、红外探测、语音播报、按键控制等，实现温度显示与控制、前台预警与后台监控的双向安全检测保障功能。对热温安全监测系统进行测试分析，其热温度检测的高精度值为0.5，良好的非线性度值为0.5%，能实时显示和实现前后台的安全监控，达到高精度温度安全监控设计目的，可用于家庭、商場、生产车间等需要高温度安全监测区域。

参考文献：

[1] 赵振宇，白洁，冯浩.铂电阻型温度传感器信号调理电路设计[J].微电机，2019，52（4）：75-78.

[2] 贾超，蔡杰，熊朝晖.不同传热方式下温度传感器动态特性研究[J].计量学报，2020，41（5）：563-566.

[3] 文明轩，李珏，王成，等.高精度温度传感、测量与控制技术综述[J].中山大学学报（自然科学版），2021，60（S1）：146-155.

[4] 梁丽.基于EDA技术的电子线路设计的改革与实践[J].实验技术与管理，2020，37（2）：100-103，116.

[5] 穆元彬，杨悦梅，吴炎洁.基于Multisim的负反馈放大电路性能研究[J].工业控制计算机，2019，32（1）：155-157，159.

[6] 陶冶，杨喜娟.基于LabVIEW和Linux的嵌入式温度仪[J].仪表技术，2019（9）：37-39.

[7] 仇士玉.一款单片机的声光报警系统的设计[J].数字技术与应用，2018，36（12）：158-159.

[8] 杨照坤，黄高祥，郑秀宏.一种语音播报系统的研究与设计[J].机电工程技术，2021，50（4）：203-205.

【通联编辑：谢媛媛】