支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，温度传感器通过集线板通道与测量板通道相连，测量板通道通过AD模块与单片机连接，单片机的通道选择信号输出端通过通道选择电路与测量板通道相连；3/8译码器输入端与单片机相连，3/8译码器一路输出端通过总线驱动器与两个光电耦合器件，每个光电耦合器件分别连接四个继电器，3/8译码器另一路输出端与两个双重四通道模拟多路复用器相连。本发明TLP521带光电隔离功能，增加安全性，减小电路干扰。光电耦合器件输入端、输出端均外接限流保护电阻，起到良好的限流保护作用。设计不同的采样电路，支持不同阻值温度传感器的混搭测量，结构简单，使用方便，设计及实现成本低。
【专利说明】
支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集
目.0
【背景技术】
[0002]混凝土凝固过程中，产生水化热使混凝土温度升高而变形引起裂缝，给大坝安全带来极大的隐患。目前，混凝土温度的监测主要采用人工方式:采用人工现场读数和室内整理、分析资料的监控方式，使得温度监测的实时性差，而且有人为误差，这种人为误差不仅与监测人员迫于工程进度的要求故意人为调整所测的混凝土温度值有关，而且受人员的技术水平、测量读数习惯等因素影响，不能表现出混凝土真实的状况，给大坝的质量和安全带来隐患。
[0003]混凝土温度监控系统可以代替传统人工监测，实现混凝土温度的实时监控，有效解决人工监测费时费力、测读不及时、有盲段、人为误差等问题。为了提高数据采集效率及降低成本投入，实现大规模的数据采集，需要采用多路通道传感器数据采集板，在采集数据的时候，一次只能采集一个传感器数据，所以需设计多路通道开断选择电路，在采集数据时开通选择的通道，断开其他通道，采集完成后再选择开通下一个通道，断开其他通道，依次采集多个传感器数据，传统采样系统无法支持不同阻值温度传感器的混搭测量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用继电器选择温度数据通道、双重四通道模拟多路复用器选择IIC通道的支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，具有低噪音、低漂移等特点。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，包括八个温度传感器、集线板通道、测量板通道、AD模块、通道选择电路和单片机，八个温度传感器由3ΚΩ热敏电阻温度传感器、PT1000铂电阻温度传感器和铜电阻温度传感器组成，各温度传感器分别通过集线板通道与测量板通道相连，测量板通道通过AD模块与单片机的采样信号输入端连接，单片机的通道选择信号输出端通过通道选择电路与测量板通道相连；
所述的通道选择电路包括3/8译码器、总线驱动器、两个光电耦合器件、八个继电器和两个双重四通道模拟多路复用器，3/8译码器的输入端与单片机相连，3/8译码器的一路输出端通过总线驱动器与两个光电耦合器件，每个光电耦合器件分别连接四个继电器，3/8译码器的另一路输出端与两个双重四通道模拟多路复用器相连；
所述的AD模块包括转换芯片、3K Ω热敏电阻采样电路和PT 1000铂电阻/铜电阻采样电路，转换芯片的串行时钟输入引脚与单片机的串行时钟输出引脚相连，转换芯片的数字输出引脚与单片机的数字输入引脚连接，转换芯片的数字输入引脚与单片机的数字输出引脚连接，3ΚΩ热敏电阻采样电路的输出与转换芯片的第一模拟输入引脚相连，PTlOOO铂电阻/铜电阻米样电路的输出与转换芯片的第二模拟输入弓I脚相连；
所述的3ΚΩ热敏电阻采样电路包括第一高精密金属铂电阻RJMl、电阻R92和电容C94，第一高精密金属铂电阻RJMl的一端与参考电压REF相连，另一端通过电容C94接地，3ΚΩ热敏电阻温度传感器并联于第一高精密金属铂电阻RJMl与电容C94的公共连接点上，该公共连接点通过电阻R92与转换芯片的第一模拟输入引脚相连;所述的PT1000铂电阻/铜电阻采样电路包括第二高精密金属铂电阻RJM2、电阻R93和电容C95，第二高精密金属铂电阻RJM2的一端与参考电压REF相连，另一端通过电容C95接地，PT1000铂电阻温度传感器或铜电阻温度传感器并联于第二高精密金属铂电阻RJM2与电容C95的公共连接点上，该公共连接点通过电阻R93与转换芯片的第二模拟输入引脚相连。
[0006]所述的3/8译码器采用74HC137芯片，74HC137芯片的VCC供电引脚通过串联的电容C21接地。
[0007]所述的总线驱动器采用74HC245芯片，74HC245芯片的VCC供电引脚通过串联的电容C31接地。
[0008]所述的光电耦合器件采用TLP521芯片，TLP521芯片的输入端ANO均通过第一限流电阻接正电压，TLP521芯片的输入端CAT分别连接控制输入，TLP521芯片的输出端EMI分别连接第二限流电阻。
[0009]所述的转换芯片采用AD7192芯片。
[0010]所述的第一高精密金属铂电阻RJMl为1/8W-2.4K电阻，第二高精密金属铂电阻RJM2 为 1/8W-1.1K 电阻。
[0011]本发明的有益效果是:
I)采用8路通道传感器数据采集板，采集数据时，开通选择的通道，断开其他通道，一次只采集一个传感器数据，采集完成后再选择开通下一个通道，依次采集8个传感器数据，使用方便、可靠。
[0012]2)使用3/8译码器74HC137实现片选功能，总线驱动器74HC245扩展了 PO端口功能并且增大了驱动能力。
[0013]3)TLP521为光电耦合器件，带有光电隔离功能，增加了安全性，减小了电路干扰，每个TLP521可驱动4个继电器，可完成对8个通道的选择。
[0014]4)74HC137外接电容C21可有效滤波去耦，使电源电平更稳定。
[0015]5)光电耦合器件输入端输出端均外接限流保护电阻，可起到良好的限流保护作用，避免电流过大烧毁光电耦合芯片或继电器。
[0016]6)设计不同的采样电路，支持不同阻值温度传感器的混搭测量，结构简单，使用方便，设计及实现成本低。
[0017]7)传感器的输入信号为电阻，将其转换为电压信号才能被ADC采集处理，加上精准REF5V电压并且串联一个高精密金属铂电阻(RJM1、RJM2)，则可转换为电压信号，而为了使输入信号更加稳定，再经过RC滤波(R92-C94、R93-C95)，RC滤波电路简单，抗干扰性强，有较好的低频滤波性能，最后接入AD芯片的输入引脚。
【附图说明】
[0018]图1为本发明电路框图；
图2为本发明通道选择电路框图；
图3为本发明74HC137连接电路原理图；
图4为本发明74HC137真值表；
图5为本发明74HC245连接电路原理图；
图6为本发明TLP521-4内部原理图；
图7为本发明TLP521-4连接电路原理图；
图8为本发明继电器内部原理图；
图9为本发明继电器驱动电路原理图；
图10为本发明⑶4052真值表；
图11为本发明⑶4052连接电路原理图；
图12为本发明AD7192连接电路原理图；
图13为本发明3K Ω热敏电阻采样电路原理图；
图14为本发明PT1000铂电阻/铜电阻采样电路原理图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0020]本实施例采用8路通道传感器数据采集板，在产品采集数据的时候，一次只能采集一个传感器数据，所以需设计8路通道开断选择电路，在采集数据时开通选择的通道，断开其他通道，采集完成后再选择开通下一个通道，断开其他通道，依次采集8个传感器数据。
[0021]需要用到3/8译码器74HC137作片选功能使用，为了扩展PO端口功能并且增大驱动能力，添加了 74HC245总线驱动器，用以驱动光电耦合器件TLP521，接上继电器即可完成单片机对通道的选择功能，电路运用CD4052双重四通道模拟多路复用器用以收发数据，完成采集工作。
[0022]如图1所示，支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，包括八个温度传感器、集线板通道、测量板通道、AD模块、通道选择电路和单片机，八个温度传感器由若干3K Ω热敏电阻温度传感器、若干PT 1000铂电阻温度传感器和若干铜电阻温度传感器组成，各温度传感器分别通过集线板通道与测量板通道相连，测量板通道通过AD模块与单片机的采样信号输入端连接，单片机的通道选择信号输出端通过通道选择电路与测量板通道相连;温度传感器接在各自的通道上，单片机通过通道选择电路选择测量通道，在选择的通道内，单片机通过IIC总线读取传感器信息数据，同时AD模块也开始采集温度数据，单片机通过SPI总线读取AD芯片里的温度数据，这样依次采集每个通道。
[0023]如图2所示，通道选择电路包括3/8译码器74HC137、总线驱动器74HC245、两个光电耦合器件TLP521、八个继电器和两个双重四通道模拟多路复用器⑶4052，3/8译码器的输入端与单片机相连，3/8译码器的一路输出端通过总线驱动器与两个光电耦合器件，每个光电耦合器件分别连接四个继电器，3/8译码器的另一路输出端与两个双重四通道模拟多路复用器相连。单片机通过此电路可完成8个通道的选择(继电器用于选择温度数据通道，CD4052用于选择IIC通道)。使用3/8译码器芯片74HC137作选择器，对74HC245以及CD4052进行片选。74HC245为总线驱动器，对其使能后可以驱动TLP521元件。TLP521为光电耦合器件，带有光电隔离功能，增加安全性，减小电路干扰，每个TLP521可驱动4个继电器(共可驱动8个继电器)，完成对8个通道的选择。CD4052为双重四通道模拟多路复用器，使用两片可对8个通道进行选择。
[0024]单片机对传感器的采集分为两部分:1.读取传感器信息;2.采集温度数据。传感器信息包括:编号、型号。单片机通过程序控制选定开启⑶4052芯片的第n(l<n<8)通道，在此通道上通过IIC双线传输协议与传感器内部芯片通信，读取该传感器的出厂编号及型号，之后单片机继续程序控制选定开启继电器第η通道，此时该通道的温度线被接入AD模块进行转换，单片机通过与AD模块通信读取温度数据，该通道采集完成后判断8个通道是否均已采集完成，若采集完成则关闭外围电路进入待机模式，若还有通道没有采集则继续采集下一个通道。
[0025]如图3所示，74HC137是一片3线转8线的译码器，共有16个引脚:1、2、3脚Α0、Α1、Α2为3线译码输入;4、5、6脚LE、E1、E2为使能端;8脚6仰;16脚￥0:供电;￥0~￥7这8个引脚为译码器8线译码输出。74HC137芯片的VCC供电引脚通过串联的电容C21接地，外接电容C21用于滤波去耦，使电源电平更稳定接单片机P0.0-P0.2为芯片输入选择脚，4脚LE接单片机P4.6用以使能控制74HC137芯片，El接地、E2接正电压为开启使能。在此电路中，只使用了Y0、Y3、Y4输出端口，YO为74HC245芯片的使能脚，Y3、Y4为两片CD4052芯片的使能脚。在该电路中，仅使用I片74HC137便可使能控制下一级的三个芯片。关于3/8译码器的工作方式，可查看74HC137真值表，如图4所示，通过使能端以及3线译码输入，可使8线输出中的某一脚电位拉低，由此可见，74HC137可以用来作为选择器，将输出脚接到下一级芯片的使能端，便可以使能8个芯片其中的一个芯片并使其工作。
[0026]如图5所示，74HC245是一种三态输出、八路信号收发器，主要应用于大屏显示，以及其它的消费类电子产品中作总线扩展与驱动。在本电路中，我们将其用于单片机I/O端口扩展，使PO端口完成更多的功能，同时该芯片驱动能力较强，单片机通过该芯片可以很好地驱动下一级芯片TLP521。结构上，74HC245芯片的VCC供电引脚通过串联的电容C31接地，同样起到滤波去耦作用。
[0027]TLP521是可控制的光电耦合器件，广泛应用在各类电子产品电路之间的信号传输，通过光电耦合，使之前端与负载完全隔离，增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。图6为TLP521-4的内部原理图:当1、2脚之间通过一定正向电流，通过光电耦合，15、16脚便会导通，一个TLP521-4芯片含有4个光电耦合通道。
[0028]如图7所示，TLP521芯片输入端ANO接正电压，通过5.1K电阻限流保护;输入端CAT为控制输入，当为高电平时，对应的COL和EMI之间断开，低电平时导通;输出外接1K电阻用于限流保护。通过控制CAT的电平高低，便可控制对应通道的开断。
[0029]本系统为8通道采集系统，可采集8个通道的数据，而现在，前级的控制电路显然已经有能力驱动8个通道，而这一级我们需要选择继电器来实现这8个通道的开断。
[0030]继电器一般使用的是电磁式继电器，电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片组成，如图8所示，只要在线圈两端I脚和16脚加上一定的电压，使线圈中有电流流过，9脚与13脚便会导通，8脚与4脚同时也会导通，当电流消失，刚才导通的便会断开，而11脚与13脚则会导通，6脚与4脚同时也导通，从而达到在电路中的导通、切断的目的。
[0031]如图9所示，继电器驱动电路:v2+、v2-为外加电压(由电源模块DY05D0505提供)，NTCI为3K Ω热敏电阻温度线，RTDI为PT 1000铂电阻/铜电阻温度线，CPI为3K Ω热敏电阻温度输送线，CP2为PT1000铂电阻/铜电阻温度输送线。二极管Dkl稳压保护，三极管Ql用于控制继电器通断。工作原理:电路通过coul(芯片TLP521-4的输出引脚)电平的高低，控制Ql的开断，从而间接控制继电器开断，当coul为高电平时，三极管Ql导通，继电器Kl开始工作，使NTCl与CPl之间导通、RTDl与CP2之间导通，从而将温度传感器的温度线传递给AD模块。3ΚΩ热敏电阻与PT1000铂电阻/铜电阻只能选择其一接入电路。
[0032]⑶4052为双重四通道模拟多路复用器/多路信号分离器，带有公共选择逻辑端，每个多路复用器有四个独立的输入/输出(0X?3X、0Y?3Υ)和一个公共输入/输出端(Χ、Υ)。公共通道选择逻辑端包括了两个数字选择输入端(Α、Β)和一个低电平有效的输入端(ΙΝΗ)。⑶4052的真值表如图10所示。如图11所示，芯片⑶4052的Α、Β脚接单片机P0.0和P0.1，用于选择开通四通道的其中对应的某一通道;Χ、Υ接时钟线(SCL2)和数据线(SDAl)，在选定的通道内，以IIC时序读取传感器端编号板内存储的数据;使能端INH接Y3(74HC137的输出脚)，用于片选此芯片使其工作。
[0033]AD模块是采集系统的中枢，温度电阻通过温度线接入AD模块，经过转换过后，单片机与AD模块通信，读取采集到的温度数据。本系统使用的是AD7192芯片，该芯片是一款超低噪音、低漂移24位Σ-Δ型ADC转换器，具有单独的模拟电源和数字电源。模拟部分必须采用精准5V电源供电，而数字电源独立于模拟电源，可以输入2.7V~5.25V范围内的任意电压，由于单片机使用的是5V电压，因此DVDD也须采用5V电源供电。
[0034]AD采集为模拟电路，须与数字部分分开，使用独立的电源供电，并且分开布地线。这里使用78L05稳压管为其提供稳定的+5V模拟电源电压，以及使用ADR425稳压芯片提供精准的+5V基准采集供电电压。
[0035]AD7192是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端，内置一个低噪声、24位Σ - △型模数转换器(ADC)，片内低噪声增益级意味着可直接输入小信号。这款器件可配置为两路差分输入或四路伪差分输入，片内通道序列器可以使能多个通道，AD7192按顺序在各使能通道上执行转换，这可以简化与器件的通信。片内4.92 MHz时钟可以用作ADC的时钟源，或者也可以使用外部时钟或晶振。
[0036]如图12所示，AD模块包括转换芯片(Α?7192)、3ΚΩ热敏电阻采样电路和PT1000铂电阻/铜电阻采样电路，转换芯片的串行时钟输入引脚(3脚SCLK)与单片机的串行时钟输出弓丨脚(ADSCK)相连，转换芯片的数字输出引脚(23脚D0UT)与单片机的数字输入引脚(ADOUT)连接，用以向单片机传送数据;转换芯片的数字输入引脚(24脚DIN)与单片机的数字输出引脚(ADDIN)连接，用以接收单片机传来的数据。3ΚΩ热敏电阻采样电路的输出与转换芯片的第一模拟输入引脚相连，ΡΤ1000铀电阻/铜电阻米样电路的输出与转换芯片的第二模拟输入引脚相连。
[0037]在程序设计中，AD7192被配置为双通道双极性工作模式，S卩ΑΙΝ1-ΑΙΝ2为一个采集通道(AIN2接地，AINl接3K Ω热敏电阻，用以采集3K Ω热敏电阻的输入信号)，AIN3_AIN4为另一个采集通道(AIN4接地，AIN3接PT1000铂电阻/铜电阻，用以采集PT1000铂电阻/铜电阻的输入信号)。默认采集为3K Ω热敏电阻，若该通道采集不到信号，则转换通道采集PT1000铂电阻/铜电阻的输入信号。
[0038]如图13所示，所述的3ΚΩ热敏电阻采样电路包括第一高精密金属铂电阻RJMl、电阻R92和电容C94，第一高精密金属铂电阻RJMU1/8W-2.4K)的一端与参考电压REF相连，另一端通过电容C94接地，3ΚΩ热敏电阻温度传感器并联于第一高精密金属铂电阻RJMl与电容C94的公共连接点上，该公共连接点通过电阻R92与转换芯片的第一模拟输入引脚相连。
[0039]如图14所示，所述的PT1000铂电阻/铜电阻采样电路包括第二高精密金属铂电阻RJM2( 1/8W-1.1K)、电阻R93和电容C95，第二高精密金属铂电阻RJM2的一端与参考电压REF相连，另一端通过电容C95接地，PT1000铂电阻温度传感器或铜电阻温度传感器并联于第二高精密金属铂电阻RJM2与电容C95的公共连接点上，该公共连接点通过电阻R93与转换芯片的第二模拟输入引脚相连。
[0040]传感器的输入信号为电阻，将其转换为电压信号才能被ADC采集处理，我们加上精准REF5V电压并且串联一个高精密金属铂电阻(RJM1、RJM2)，则可转换为电压信号，而为了使输入信号更加稳定，再经过RC滤波(R92-C94、R93-C95)，RC滤波电路简单，抗干扰性强，有较好的低频滤波性能，最后接入AD芯片的输入引脚。
[0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，其特征在于:包括八个温度传感器、集线板通道、测量板通道、AD模块、通道选择电路和单片机，八个温度传感器由3ΚΩ热敏电阻温度传感器、PTlOOO铂电阻温度传感器和铜电阻温度传感器组成，各温度传感器分别通过集线板通道与测量板通道相连，测量板通道通过AD模块与单片机的采样信号输入端连接，单片机的通道选择信号输出端通过通道选择电路与测量板通道相连； 所述的通道选择电路包括3/8译码器、总线驱动器、两个光电耦合器件、八个继电器和两个双重四通道模拟多路复用器，3/8译码器的输入端与单片机相连，3/8译码器的一路输出端通过总线驱动器与两个光电耦合器件，每个光电耦合器件分别连接四个继电器，3/8译码器的另一路输出端与两个双重四通道模拟多路复用器相连； 所述的AD模块包括转换芯片、3ΚΩ热敏电阻采样电路和PT1000铂电阻/铜电阻采样电路，转换芯片的串行时钟输入引脚与单片机的串行时钟输出引脚相连，转换芯片的数字输出引脚与单片机的数字输入引脚连接，转换芯片的数字输入引脚与单片机的数字输出引脚连接，3ΚΩ热敏电阻采样电路的输出与转换芯片的第一模拟输入引脚相连，PT1000铂电阻/铜电阻米样电路的输出与转换芯片的第二模拟输入弓I脚相连； 所述的3ΚΩ热敏电阻采样电路包括第一高精密金属铂电阻RJMl、电阻R92和电容C94，第一高精密金属铂电阻RJMl的一端与参考电压REF相连，另一端通过电容C94接地，3ΚΩ热敏电阻温度传感器并联于第一高精密金属铂电阻RJMl与电容C94的公共连接点上，该公共连接点通过电阻R92与转换芯片的第一模拟输入引脚相连;所述的PT1000铂电阻/铜电阻采样电路包括第二高精密金属铂电阻RJM2、电阻R93和电容C95，第二高精密金属铂电阻RJM2的一端与参考电压REF相连，另一端通过电容C95接地，PT1000铂电阻温度传感器或铜电阻温度传感器并联于第二高精密金属铂电阻RJM2与电容C95的公共连接点上，该公共连接点通过电阻R93与转换芯片的第二模拟输入引脚相连。2.根据权利要求1所述的支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，其特征在于:所述的3/8译码器采用74HC137芯片，74HC137芯片的VCC供电引脚通过串联的电容C21接地。3.根据权利要求1所述的支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，其特征在于:所述的总线驱动器采用74HC245芯片，74HC245芯片的VCC供电引脚通过串联的电容C31接地。4.根据权利要求1所述的支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，其特征在于:所述的光电耦合器件采用TLP521芯片，TLP521芯片的输入端ANO均通过第一限流电阻接正电压，TLP521芯片的输入端CAT分别连接控制输入，TLP521芯片的输出端EMI分别连接第二限流电阻。5.根据权利要求1?4中任一项所述的支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，其特征在于:所述的转换芯片采用AD7192芯片。6.根据权利要求1所述的支持热敏电阻、铂电阻、铜电阻温度传感器混搭测量的温度采集装置，其特征在于:所述的第一高精密金属铂电阻RJMl为1/8W-2.4K电阻，第二高精密金属铂电阻RJM2为1/8W-1.1K电阻。
【文档编号】G01K7/16GK106052893SQ201610456424
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】王 华, 帅永建
【申请人】中国水利水电第七工程局有限公司