一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种温度测试装置，尤其涉及一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置。

背景技术：

为帮助学生学习和理解太阳能光热系统的原理和提高工程应用的动手实践能力，需要研制一套太阳能光热实验教学系统，该系统要求在较低的成本下实现实训项目要求温度参数精度高、温度测量范围广的要求。国内外对高精度温度测量系统的研究较多，方法各异，陶庆栋等的《基于单片机温度测量的标定方法》一文中采用热电偶作为测温元件得到电动势，放大后通过A/D转换进行两次函数拟合获得温度，该方案稳定性高，但精度只达±0.2℃；文波等在《基于增量式PID算法的水温自动控制器设计》中以DS18B20为测温元件，运用增量式PID算法实现在10℃～80℃范围内测量误差在0.5℃以内；方益喜等的《基于PT1000的高精度温度测量系统》是以铂电阻为测温元件，采用三线制恒流源驱动法和上位机中引入MLS数值算法大大降低了测量误差，在10℃～70℃内实验测量误差不大于0.01℃。以上几种温度测量方案在测量范围或者测量精度上不符合太阳能光热系统的需求，不能应用于太阳能光热实验系统中。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服针对目前在低价位测量传感器的温度测量的范围较窄、测温精度低等问题，提供一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置。

本实用新型采用的技术方案是：

一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置，其包括温度信号处理模块、MCU处理器、上位机，温度信号处理模块包括铂电阻温度传感器恒流源驱动电路、信号调理电路和A/D转换电路，温度信号连接铂电阻温度传感器恒流源驱动电路，铂电阻温度传感器恒流源驱动电路依次通过信号调理电路和A/D转换电路与MCU处理器连接，所述MCU处理器连接有液晶显示屏、数据存储模块、声光报警模块和电源模块，液晶显示屏用于直观显示温度数值，数据存储模块用于温度数据的备份，声光报警模块用于温度超过报警阈值时的报警提示，电源模块为MCU处理器供电，MCU处理器的输出端通过串口连接上位机，上位机实时显示温度曲线并提供数据导出接口。

所述的铂电阻温度传感器为PT1000温度传感器

所述的铂电阻温度传感器恒流源驱动电路包括：ADR421基准电压源U22，OPA277运放U10、U11，电阻R200、R201、R202、R203、R204、R205，可调电阻RP1、RP2和电容C200、C201、C202；电容C202接基准电压输出，基准电压源U22输出经电阻R201接OPA277运放U11同向输入端，电阻R201与R200串联接OPA277运放U10的输出端和反向输入端；OPA277运放U11的反向输入端经电阻R202接地，经电阻R203接OPA277运放U11的输出端；运放U10的同向输入端U3经电位器调节电阻构成的参考电阻接OPA277运放U11的输出端。

所述的信号调理电路包括：OPA277运放U16、U17，铂电阻PT1000，电阻R230、R231、R232、R233和可调电阻RP7、RP8；参考电流输入铂电阻PT1000的电流输入端的一端子，铂电阻PT1000的电流输入端的另一端子连接OPA277运放U16的同向输入端，运放U16的反向输入端连接运放U16的输出端，铂电阻PT1000电流输出端分别连接可调电阻RP7的一端和OPA277运放U17同向输入端，可调电阻RP7的另一端分别连接可调电阻RP8和电阻R230的一端共同构成的零度电阻，可调电阻RP8和电阻R230的另一端接地，运放U17的反向输入端分别连接电阻R232和电阻R233的一端接地，电阻R232的另一端接地，电阻R233的另一端连接运放U17的输出端，OPA277运放U16、U17输出电压分别接入所述的A/D转换电路的一个输入端。

所述的A/D转换电路采用16位高精度TM7705A/D转换器。

所述的液晶显示屏采用型号SSD1963QL9。

所述的声光报警模块采用蜂鸣器和LED灯，温度超过报警阈值时LED快闪同时蜂鸣器发声，否则LED慢闪且蜂鸣器不发声。

所述的数据存储模块采用Micro SD。

所述的MCU处理器采用STM32F103RBT6。

本实用新型采用以上技术方案，MCU处理器采集经温度信号处理模块处理后的温度信号，采用最小二乘法计算温度并送到触控显示屏进行温度数值的直观展示，数据存储模块实现温度数据备份，实时温度超过报警阈值时声光报警模块进行报警提示，并通过串口上传到上位机进行实时温度曲线显示并提供数据导出接口。本实用新型的有益效果是：第一，采用差分输入法，将铂电阻压降与零度电阻压降的差值进行模数转换，引入最小二乘法进行分段四次拟合，使温度测量装置具有温度测量范围广、测温精度高的特点同时具备较强的抗干扰能力。第二，温度异常时进行声光报警，使用户及时发现和解决温度异常问题。第三，对温度数据进行SD卡备份，提高温度测试系统的可靠性。第四，采用液晶屏和上位机展示温度数据，提供便捷的测试环境。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明；

图1为本实用新型一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置的结构示意图；

图2为本实用新型一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置的铂电阻温度传感器恒流源驱动电路示意图；

图3为本实用新型一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置的信号调理电路示意图；

图4为本实用新型一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置的A/D转换电路示意图。

图5为本实用新型一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置的工作流程示意图；

具体实施方式

如图1-5之一所示，本实用新型公开一种应用于太阳能光热实验系统的温度测试装置，其包括温度信号处理模块、MCU处理器、上位机，温度信号处理模块包括铂电阻温度传感器恒流源驱动电路、信号调理电路和A/D转换电路，温度信号连接铂电阻温度传感器恒流源驱动电路，铂电阻温度传感器恒流源驱动电路依次通过信号调理电路和A/D转换电路与MCU处理器连接，所述MCU处理器连接有液晶显示屏、数据存储模块、声光报警模块和电源模块，液晶显示屏用于直观显示温度数值，数据存储模块用于温度数据的备份，声光报警模块用于温度超过报警阈值时的报警提示，电源模块为MCU处理器供电，MCU处理器的输出端通过串口连接上位机，上位机实时显示温度曲线并提供数据导出接口。

所述的铂电阻温度传感器为PT1000温度传感器

如图2所示，所述的铂电阻温度传感器恒流源驱动电路包括：ADR421基准电压源U22，OPA277运放U10、U11，电阻R200、R201、R202、R203、R204、R205，可调电阻RP1、RP2和电容C200、C201、C202，电容C200、C201并联设于供电电源的正负极之间，供电电源的正负极分别接入电容C202的输入端，电容C202接基准电压输出，基准电压源U22输出经电阻R201接OPA277运放U11同向输入端，电阻R201与R200串联接OPA277运放U10的输出端和反向输入端；OPA277运放U11的反向输入端经电阻R202接地，经电阻R203接OPA277运放U11的输出端；作为参考电流输出端的运放U10的同向输入端U3连接电阻R204的一端，电阻R204的另一端经过调节电阻RP1分别连接电阻R205和调节电阻RP2的一端构成的参考电阻，电阻R205和调节电阻RP2的另一端接OPA277运放U11的输出端。

如图3或图4所示，所述的信号调理电路包括：OPA277运放U16、U17，铂电阻PT1000，电阻R230、R231、R232、R233和可调电阻RP7、RP8；其中PT2-1为PT1000的电流输入端、PT2-2为PT1000的电流输出端，参考电流输入铂电阻PT1000的电流输入端的一端子，铂电阻PT1000的电流输入端的另一端子连接OPA277运放U16的同向输入端，运放U16的反向输入端连接运放U16的输出端，铂电阻PT1000电流输出端分别连接可调电阻RP7的一端和OPA277运放U17同向输入端，可调电阻RP7的另一端分别连接可调电阻RP8和电阻R230的一端共同构成的零度电阻，可调电阻RP8和电阻R230的另一端接地，运放U17的反向输入端分别连接电阻R232和电阻R233的一端接地，电阻R232的另一端接地，电阻R233的另一端连接运放U17的输出端，OPA277运放U16、U17输出电压分别接入所述的A/D转换电路的一个输入端。即分别接A/D转换器TM7705的6脚和11脚。

测试电流的稳定性决定系统的精度和稳定性，测试电流通过PT1000的两条附加线，将温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号，通过PT1000的另外两条线测量电压信号。将PT1000与零度电阻(大小等于铂电阻的零度电阻)串联，通过运放调节后，将铂电阻压降与零度电阻压降的差值送入TM7705的差分输入端，直接测量铂电阻电压相对零度时的变化量，该方法可达到很高的测量精度。

所述的A/D转换电路采用16位高精度TM7705A/D转换器。本系统测温精度设计目标为0.1℃，ADC选择时需要根据系统需求选择ADC位数。查询PT1000分度表得知在0℃～90℃温度区间内温度变化0.1℃时铂电阻阻值最小变化量0.112Ω，0℃～90℃温度区间内的铂电阻阻值最大变化量通过查表法得到为347.069Ω，则可计算出本系统要求的设计精度：

14位ADC的理论上精度可达0.000061，但因为ADC自身有DNL误差、失调误差等使得14位ADC的实际精度无法达到0.000061，为了留有误差余量，系统设计时选用16位的高精度ADC：TM7705。

所述的液晶显示屏采用型号SSD1963QL9。

所述的声光报警模块采用蜂鸣器和LED灯，温度超过报警阈值时LED快闪同时蜂鸣器发声，否则LED慢闪且蜂鸣器不发声。

所述的数据存储模块采用Micro SD。

所述的MCU处理器采用STM32F103RBT6。

采用上述装置时本发明的工作流程如图5所示，具体说明如下：

步骤501：启动装置，初始化MCU、LCD模块、SD卡模块和串口模块等外设资源，读取运行参数和报警阈值等。

步骤502：初始化温度数据采集任务相关资源，定时采集温度数据时间已到？如果是则进行执行步骤503。

步骤503：在同一温度点连续采样10次，对每个采样点进行数字滤波处理，剔除10个数据中最大值和最小值，该温度采样点的最终采样值取剩下8个数据的平均值。

步骤504：采用最小二乘法四次拟合出每段AD值与温度的关系式系数并存入微处理器MCU中，根据AD值对应的温度区间选择合适的系数代入公式计算获得实时温度。

步骤505：检测是否为报警数据？如果是则执行步骤506。

步骤506：进行声光报警，LED快闪同时蜂鸣器发声。

步骤507：温度数据进行SD卡备份同时送到液晶屏进行显示。

步骤508：检测是否已到温度数据上报时间？如果是则执行步骤509。

步骤509：数据包通过串口上传到上位机。

步骤510：结束。

本实用新型采用以上技术方案，MCU处理器采集经温度信号处理模块处理后的温度信号，采用最小二乘法计算温度并送到触控显示屏进行温度数值的直观展示，数据存储模块实现温度数据备份，实时温度超过报警阈值时声光报警模块进行报警提示，并通过串口上传到上位机进行实时温度曲线显示并提供数据导出接口。本实用新型的有益效果是：第一，采用差分输入法，将铂电阻压降与零度电阻压降的差值进行模数转换，引入最小二乘法进行分段四次拟合，使温度测量装置具有温度测量范围广、测温精度高的特点同时具备较强的抗干扰能力。第二，温度异常时进行声光报警，使用户及时发现和解决温度异常问题。第三，对温度数据进行SD卡备份，提高温度测试系统的可靠性。第四，采用液晶屏和上位机展示温度数据，提供便捷的测试环境。