檢測軌道車輛Pt100溫度傳感器抗溫性能控制系統的製作方法
2023-08-05 04:15:46 1
本實用新型屬於電子技術領域。
背景技術：
目前，工業、農業、國防、航天和軌道交通等許多領域都離不開溫度的測量，溫度成為了各領域一個重要而普遍的測量參數，溫度的測量和控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展起到非常重要的作用。在軌道交通中，主要用Pt100溫度傳感器檢測動車組中的齒輪箱溫度，從而反應齒輪的運轉情況。Pt100溫度傳感器能夠測量-200℃～+850℃，還具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點，其檢測到溫度的準確性和傳感器本身的穩定性直接影響軌道車輛的運行情況，對乘客的人身安全有著重要的影響。因此，針對軌道車輛Pt100溫度傳感器進行抗溫性能的測試具有重要意義。
技術實現要素：
本實用新型的目的是通過觀察在設定極低或極高的溫度條件下，Pt100溫度傳感器是否能正確檢測到此溫度，從而反映出Pt100抗溫性能的檢測軌道車輛Pt100溫度傳感器抗溫性能控制系統。
本實用新型是由Pt100溫度傳感器和溫度採集模塊、主控模塊、顯示模塊、串口模塊組成；
主控模塊電路採用STM32F103RBT6晶片：主控模塊U1的30腳連接有S1、C1、R1組成的復位電路，BT1、D1、D2、Y1組成掉電保護電路，主控模塊U1的1、2腳接R2、Y2、C2、C3組成的振蕩電路，主控模塊U1的4、5腳接C4、C5、L1組成的濾波電路，主控模塊U1的6、7引腳與C6相連接組成去耦電路，主控模塊U1的22、23引腳與C7相連接組成去耦電路，主控模塊U1的20、21引腳與C8相連接組成去耦電路，主控模塊U1的19、20引腳與C9相連接組成去耦電路，主控模塊U1的24、27引腳與R3、R4和BOOT相連接用於選擇STM32的三種不同啟動方式，發光二極體LED1和LED2以及限流電阻R29、R30組成用來指示串口數據收發並連接在主控模塊U1的28、29腳；
溫度採集模塊：溫度採集電路由Pt100溫度傳感器和運算放大電路組成，其中運算放大電路採用低功耗集成運算放大器TL062，為了防止單級放大倍數過高帶來的非線性誤差，放大電路採用兩級放大：運算放大電路連接有Pt100溫度傳感器、差分電容C10、C13，運算放大模塊連接有U2B運算放大器，其中U2B的引腳5與分壓電阻R5、R6連接，U2B的引腳6、引腳7與差分電容C11連接，同時U2B的引腳6、引腳7之間還連接有分壓電阻R7、R8、R9、R10，U2B運算放大器還連接有分壓電阻R13和調零電阻R14構成前級放大電路；運算放大電路連接有U2A運算放大器，其中U2A的引腳3連接有分壓電阻R11、R12和差分電容C14，U2A的引腳2連接有分壓電阻R14，U2A的引腳1與引腳2之間連接有差分電容C12和電阻R15，U2A的引腳1連接有電阻R16引出A/D引腳，A/D引腳與主控模塊U1的引腳17相連接；
顯示模塊：顯示模塊連接有四位一體數碼管，顯示模塊連接有三極體Q1、Q2、Q3、Q4，用於增大驅動電流來驅動四位一體數碼管，四位一體數碼管的a、b、c、d、e、f、g引腳分別連接有限流電阻R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，限流電阻的另一端連接到7447解碼模塊U3的引腳14、13、12、11、10、9、8，解碼模塊U3的引腳1、2、3、4分別與主控模塊U1的引腳8、9、10、11相連接，上拉電阻R25、R26、R27、R28的一端分別於與三極體Q1、Q2、Q3、Q4的基極相連接，另一端分別與主控模塊U1的引腳12、13、14、15相連接；
串口模塊：串口模塊主要由U4 MAX232晶片及其外部電路組成，串口模塊連接有C15、C16、C17、C18與1、2、3、4、5、6引腳構成電荷泵電路，7、8引腳作為上位機的收發引腳與J1的2、3引腳相連接，9、10引腳作為第二數據通道分別與主控模塊U1的28、29引腳相連接。
本實用新型採用Pt100溫度傳感器進行溫度檢測，測量溫度範圍較大，並通過控制加熱器和冷卻器，實現在高溫或低溫條件下，完成Pt100溫度傳感器的工作性能的檢測實驗。進一步而言，本實用新型提供的檢測軌道車輛Pt100溫度傳感器抗溫性能控制系統，可以檢測具有同樣安裝孔的其它電子設備的抗溫效果。
附圖說明
圖1是本實用新型主控模塊電路圖；
圖2是本實用新型的溫度採集模塊電路圖原理圖；
圖3是本實用新型的顯示模塊電路原理圖；
圖4是本實用新型的串口模塊電路原理圖。
具體實施方式
本實用新型是由Pt100溫度傳感器和溫度採集模塊、主控模塊、顯示模塊、串口模塊組成；
主控模塊電路採用STM32F103RBT6晶片：主控模塊U1的30腳連接有S1、C1、R1組成的復位電路，BT1、D1、D2、Y1組成掉電保護電路，主控模塊U1的1、2腳接R2、Y2、C2、C3組成的振蕩電路，主控模塊U1的4、5腳接C4、C5、L1組成的濾波電路，主控模塊U1的6、7引腳與C6相連接組成去耦電路，主控模塊U1的22、23引腳與C7相連接組成去耦電路，主控模塊U1的20、21引腳與C8相連接組成去耦電路，主控模塊U1的19、20引腳與C9相連接組成去耦電路，主控模塊U1的24、27引腳與R3、R4和BOOT相連接用於選擇STM32的三種不同啟動方式，發光二極體LED1和LED2以及限流電阻R29、R30組成用來指示串口數據收發並連接在主控模塊U1的28、29腳；
溫度採集模塊：溫度採集電路由Pt100溫度傳感器和運算放大電路組成，其中運算放大電路採用低功耗集成運算放大器TL062，為了防止單級放大倍數過高帶來的非線性誤差，放大電路採用兩級放大：運算放大電路連接有Pt100溫度傳感器、差分電容C10、C13，運算放大模塊連接有U2B運算放大器，其中U2B的引腳5與分壓電阻R5、R6連接，U2B的引腳6、引腳7與差分電容C11連接，同時U2B的引腳6、引腳7之間還連接有分壓電阻R7、R8、R9、R10，U2B運算放大器還連接有分壓電阻R13和調零電阻R14構成前級放大電路；運算放大電路連接有U2A運算放大器，其中U2A的引腳3連接有分壓電阻R11、R12和差分電容C14，U2A的引腳2連接有分壓電阻R14，U2A的引腳1與引腳2之間連接有差分電容C12和電阻R15，U2A的引腳1連接有電阻R16引出A/D引腳，A/D引腳與主控模塊U1的引腳17相連接；
顯示模塊：顯示模塊連接有四位一體數碼管，顯示模塊連接有三極體Q1、Q2、Q3、Q4，用於增大驅動電流來驅動四位一體數碼管，四位一體數碼管的a、b、c、d、e、f、g引腳分別連接有限流電阻R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，限流電阻的另一端連接到7447解碼模塊U3的引腳14、13、12、11、10、9、8，解碼模塊U3的引腳1、2、3、4分別與主控模塊U1的引腳8、9、10、11相連接，上拉電阻R25、R26、R27、R28的一端分別於與三極體Q1、Q2、Q3、Q4的基極相連接，另一端分別與主控模塊U1的引腳12、13、14、15相連接；
串口模塊：串口模塊主要由U4 MAX232晶片及其外部電路組成，串口模塊連接有C15、C16、C17、C18與1、2、3、4、5、6引腳構成電荷泵電路，7、8引腳作為上位機的收發引腳與J1的2、3引腳相連接，9、10引腳作為第二數據通道分別與主控模塊U1的28、29引腳相連接。
電源模塊為其它單元提供所需的電源，在不影響用電設備正常工作的前提下，選用內置AC~DC 5V電源轉換模塊，終端部分晶片電源要求為3.3V，所以採用集成DC5V~DC3.3V轉換晶片NCP1117，為保證5V電源與3.3V之間互不影響，在NCP1117前加入5V隔離電源模塊IF0505S-W75。
人機互動界面將測試指令發送給控制系統，接收到測試指令後，通過人機互動界面給系統一個設定溫度，系統通過比較設定溫度和當前溫度的大小，進而通過串口模塊發送命令給加熱器或冷卻器，實現在高溫或低溫環境下對Pt100溫度傳感器工作性能的檢測。
本實用新型提供了一種檢測軌道車輛Pt100溫度傳感器抗溫性能的控制系統，通過Pt100溫度傳感器測量當前溫度，經過溫度採集模塊後送入主控模塊進行A/D轉換和數據處理，再通過顯示模塊進行顯示，同時操作人員設定一個檢測溫度（-200℃～+850℃），通過上位機給加熱器或冷卻器發出命令使其達到設定溫度後，再次使用Pt100溫度傳感器檢測溫度，觀察此時檢測到的溫度是否與設定溫度相同。
本實用新型是由加熱器、冷卻器、Pt100溫度傳感器、溫度採集模塊、主控模塊、顯示模塊、串口模塊、電源模塊和人機互動界面組成。主控模塊電路包括復位電路、掉電保護電路、振蕩電路、濾波電路、去耦電路、串口收發指示電路和啟動方式選擇電路，實現對其他模塊的管理與控制；溫度採集模塊包括Pt100溫度傳感器和運算放大電路，運算放大電路使用兩級放大，通過電位器可以實現調零；顯示模塊由八位共陽極數碼管組成，用於顯示Pt100溫度傳感器測得的溫度；串口模塊包括電荷泵電路和數據轉換通道；主控模塊分別和溫度採集模塊、串口模塊和顯示模塊相連，完成溫度數據採集與處理，並採用模糊PID算法控制加熱器的溫度，實現對溫度的閉環控制。加熱器是通過實際情況定做的200*300的加熱板，其導線和主控制模塊相連，溫度傳感器是經過嚴格實驗後的合格的Pt100溫度傳感器，用於測量工裝臺溫度，並反饋給主控模塊。人機互動界面將測試指令發送給控制系統，接收到測試指令後，通過人機互動界面給系統一個設定溫度，系統通過比較設定溫度和當前溫度的大小，進而通過串口模塊發送命令給加熱器或冷卻器，實現在高溫或低溫環境下對Pt100溫度傳感器工作性能的檢測。
以下結合附圖對本使用新型進行詳細描述：
本實用新型包括：加熱器、冷卻器、Pt100溫度傳感器、溫度採集模塊、主控模塊、顯示模塊、串口模塊、電源模塊和人機互動界面，其中STM32F103RBT6晶片主要通過對加熱器的加熱和冷卻器的冷卻進行控制，同時控制溫度採集模塊和顯示模塊，其內部還有A/D轉換電路，採集到的溫度數據通過主控模塊內部A/D轉換對數據進行處理，最終通過顯示模塊顯示出來以便觀察。人機互動界面將測試指令發送給控制系統，接收到測試指令後，通過人機互動界面給系統一個設定溫度，系統通過比較設定溫度和當前溫度的大小，進而通過串口模塊發送命令給加熱器或冷卻器，實現在高溫或低溫環境下對Pt100溫度傳感器工作性能的檢測。
主控模塊電路主要由STM32F103RBT6晶片及其外圍電路組成：如圖1所示，主要包括由S1、C1、R1組成的復位電路，當S1按鍵按下時實現CPU復位功能；BT1、D1、D2、Y1組成掉電保護電路，在系統掉電和低功耗模式下為實時時鐘供電；R2、Y2、C2、C3組成的振蕩電路，為CPU提供時鐘；C4、C5、L1組成的濾波電路，對晶片內部A/D轉換器的供電進行去耦合和濾波；U1的6、7引腳與C6相連接組成去耦電路，U1的21、22引腳與C7相連接組成去耦電路，U1的19、20引腳與C8相連接組成去耦電路U1的17、18引腳與C9相連接組成去耦電路，主要是為去除電源噪聲，提高CPU的抗幹擾能力；U1的24、27引腳與R3、R4和BOOT相連接，通過STM32F103RBT6晶片的BOOT1、BOOT0引腳可以選擇三種不同的啟動模式；R29、R30作為限流電阻，與發光二極體LED1和LED2組成電路用來只是串口數據收發，即有數據發送時LED1亮，有數據接收時LED2亮，否則都不亮，實現將加熱或冷卻命令通過串口發送到加熱器或冷卻器，並進行相應的加熱或冷卻操作。
溫度採集模塊：如圖2所示，溫度採集模塊主要有Pt100溫度傳感器和運算放大電路組成，運算放大電路採用低功耗集成運算放大器TL062，作為Pt100的前置放大電路，為了防止單級放大倍數過高帶來的非線性誤差，放大電路採用兩級放大：運算放大模塊連接有Pt100溫度傳感器，傳感器的接入十分簡單，+5V供電端通過R5、R6就可將Pt100溫度傳感器接入電路，運算放大模塊連接有差分電容C10、C13，運算放大模塊連接有U2B運算放大器，其中U2B的引腳5與分壓電阻R5、R6連接，U2B的引腳6、引腳7與差分電容C11連接，同時U2B的引腳6、引腳7之間還連接有分壓電阻R7、R8、R9、R10，U2B運算放大器還連接有分壓電阻R13和調零電阻R14構成前級放大電路；運算放大模塊連接有U2A運算放大器，其中U2A的引腳3連接有分壓電阻R11、R12和差分電容C14，U2A的引腳2連接有分壓電阻R14，U2A的引腳1與引腳2之間連接有差分電容C12和電阻R15，這種接法能夠有效的穩定靜態工作點，以放大差模信號抑制共模信號，常用於測量電路的輸入級，U2A的引腳1通過連接電阻R16引出A/D引腳，A/D引腳與數據處理模塊U1的引腳17相連接，通過STM32F103RBT6晶片內部的A/D轉換器將採集的溫度模擬信號轉換為數位訊號並進行處理。
顯示模塊：如圖3所示，顯示模塊連接有四位一體數碼管，顯示模塊連接有三極體Q1、Q2、Q3、Q4，用於增大驅動電流來驅動四位一體數碼管，四位一體數碼管的a、b、c、d、e、f、g引腳分別連接有限流電阻R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，限流電阻的另一端連接到7447解碼模塊U3的引腳14、13、12、11、10、9、8，解碼模塊U3的引腳1、2、3、4分別與主控模塊U1的引腳8、9、10、11相連接，使用7447解碼器能夠節省大量的I/O口，並且功耗更低，上拉電阻R25、R26、R27、R28的一端分別於與三極體Q1、Q2、Q3、Q4的基極相連接，另一端分別與數據處理模塊U1的引腳12、13、14、15相連接。
串口模塊：如圖4所示，串口模塊主要有U4 MAX232晶片及其外部電路組成，串口模塊連接有C15、C16、C17、C18與1、2、3、4、5、6引腳構成電荷泵電路，功能是產生+12V和-12V兩個電源，提供給RS232串口電平的需要，11、12、13、14引腳為第一數據通道，7、8、9、10引腳為第二數據通道，7、8引腳作為上位機的收發引腳與J1的2、3引腳相連接，實現上位機與U4之間的數據通信，9、10引腳分別與主控模塊U1的28、29引腳相連接實現主控模塊與U4之間的數據通信。
電源模塊為其它單元提供所需的電源，在不影響用電設備正常工作的前提下，選用內置AC~DC 5V電源轉換模塊，終端部分晶片電源要求為3.3V，所以採用集成DC5V~DC3.3V轉換晶片NCP1117，為保證5V電源與3.3V之間互不影響，在NCP1117前加入5V隔離電源模塊IF0505S-W75。
人機互動界面將測試指令發送給控制系統，接收到測試指令後，通過人機互動界面給系統一個設定溫度，系統通過比較設定溫度和當前溫度的大小，進而通過串口模塊發送命令給加熱器或冷卻器，實現在高溫或低溫環境下對Pt100溫度傳感器工作性能的檢測。
本實用新型的具體工作流程：當系統上電後，主控模塊會初始化各個外圍設備，然後等待上位機發出測試命令，當接收到測試命令後，系統開始對Pt100溫度傳感器的抗溫性能進行測試。首先Pt100溫度傳感器通過溫度採集模塊檢測當前溫度，主控模塊對溫度數據進行處理後，通過顯示模塊將當前溫度顯示出來；然後上位機設定一個目標溫度，通過比較當前溫度與目標溫度的大小來進行相應的操作：如果當前溫度大於目標溫度，主控模塊通過串口模塊給加熱器發出命令進行加熱操作，反之主控模塊通過串口模塊給冷卻器發送命令進行冷卻操作，由於Pt100可檢測的溫度範圍是-200℃～+850℃，所以目標溫度的設定必須在這個範圍內，設定溫度最好是在高溫或低溫條件下；當加熱器或冷卻器達到了設定溫度後，相應的操作結束，Pt100再次測溫並通過顯示模塊顯示出來，觀察經過加熱或冷卻操作後Pt100溫度傳感器是否正確檢測到設定的溫度，如果顯示出的溫度與設定溫度不一致，則發出報錯信息，表明此次檢測的Pt100溫度傳感器的抗溫性能不好，並結束此次測試；如果與設定溫度一致，則本次測試結束，等待上位機再次發出測試命令。