CN104062025A - 一种节能自动ad温度采集监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度检测领域，特别涉及一种自动温度采集领域，具体指一种节能自动AD温度采集监控系统。包括上位控制器单元、温度检测电路和多通道数模转换芯片；温度检测电路包括基于PT1000的温度传感器和高精度采样电阻，测量温度准确度高；采用集成芯片，电路简单，体积小巧，可集成化程度高。采用上位控制器控制温度采集电路的开启和关断，仅在需要温度测量时开启电路，测完即关闭，相比传统设计，节能可高达90%，同时采用低功耗的电压型MOS管、AD7799低能耗芯片等；分别从系统和电路原件角度全面的采用节能设计，优化了系统性能，降低了系统的功耗，适用于各种需要精确检测温度的场合。

Description

一种节能自动AD温度采集监控系统

技术领域

本发明涉及一种温度检测领域，特别涉及一种自动温度采集领域。

背景技术

温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、热力学、飞行力学、流体力学等学科都离不开温度。它也是工业生产中最普遍最重要的参数之一。许多工农业产品的质量都与温度密切相关，比如：离开合适的温度, 许多化学反应就不能正常进行甚至不能进行；没有合适的温度炉窑就不能炼制出合格的产品；没有合适的温度环境；农作物就不能正常生长，许多电子仪器不能正常工作, 粮仓的储粮就会变质霉烂, 家禽的孵化也不能进行。可见,温度的测量与控制十分重要。

温度的检测方法有多种, 常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型及石英谐振型等等。它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值, 热电势等) 的变化的原理。

而电阻型温度传感器以电阻作为温度敏感元件，根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式，热电阻式一般用金属材料制成, 如铂、铜、镍等,而热电阻传感器的温度系数一般为正值，以铂电阻为例，在一定温度范围内, 阻值与温度近似呈线性关系。由于铂电阻测温范围宽, 精度高, 制作误差小, 结构简单且已有统一的国际标准,铂电阻温度传感器(包括pt100,pt500,pt1000等)已广泛应用于许多场合的温度测量与控制。其中pt1000的分辨率最高,在温度的高精度测量中得到了广泛的应用。

在pt1000温度传感器后续处理电路中,有多种方法,如采用惠斯顿电桥测量温度,或是采用恒流源测量温度。其中采用惠斯顿电桥测量方法中电桥的四个电阻中有三个电阻值是恒定的，第四个用Pt1000热电阻，当Pt1000电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度，但是采用这种方法测量温度的要采用后续的信号放大电路和滤波电路，电路复杂,处理环节过多。而另外一种恒流源测量温度的方法，由于在实际工作条件下很不容易保持电流恒定，不能保证测量参数的计算结果准确，电路的稳定性不高且同样具有电路复杂的缺点。此外现有大多技术中温度采集电路的工作时间与系统工作时间相同，即在整个系统工作期间，温度采集电路一直处于开启状态，能耗较高，不能满足现代社会节能环保的要求；同时，由于能耗的持续进行也会进一步提高环境温度，影响温度测量的准确性，不仅这样，温度的升高也往往伴随电路系统性能的恶化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种节能自动AD温度采集监控系统，使温度采集电路更加简化，测量结果更加精确，同时实现降低功耗和节约能源的效果。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种节能自动AD温度采集监控系统，包括上位控制器单元、温度检测电路和多通道数模转换芯片，其中，所述温度检测电路包括温度传感器J1和采样电阻R16，所述温度传感器J1和采样电阻R16串联。所述温度传感器J1的两端头和采样电阻R16的两端头分别与所述多通道数模转换芯片的对应信号采集通道相连。所述多通道数模转换芯片与上位控制器相连。工作时分别测试温度传感器J1两端电压VJ1和采样电阻R16两端的电压值V16，采样电阻R16电阻值已知，得出电路电流值I=（V16）/ R16，而温度传感器J1的热电阻值RJI=（VJI）/I，根据温度传感器J1所选用的热电阻值RJI和温度关系得出相应的测量温度值。

上位控制器与所述温度检测电路的控制接口相连，上位控制器通过向所述温度检测电路的控制接口发送控制信号，以控制所述温度检测电路的连通和关断，实现当采集温度时打开其电源通路，采样完后断开其电源通路，降低系统功耗的目的。

所述温度检测电路，包括电源接口V30-T、电阻R2、温度传感器JI、多通道数模转换芯片、电阻R16，电阻R17、MOS管、电阻R67和控制接口TCON；其中电源接口V30-T、电阻R2、温度传感器JI、电阻R16和电阻R17依次串联；串联后的R17端口与MOS管的D极相连接， MOS管的G极与TCON接口相连，而MOS管的S极接地；电阻R67一端接与MOS管的G极与TCON接口之间，另一端接地。

所述控制接口TCON与上位控制器相连，通过上位控制器所发出的控制信号以及对应的高、低电平来控制MOS管开启或关断，从而控制整个温度采集电路的开启或关断。

作为一种优选，所述电源接口V30-T所连接的电源电路包含滤波电容和稳压器，能够保持电路的输出电压稳定。

作为一种优选，温度传感器选用高精度的PT1000, 提高温度测量的精度。

作为一种优选，所述采样电阻电阻R16的精度和温漂直接关系到测量的精度，本系统中选用的采样电阻R16是精度为±0.1%、温漂为±5PPM/℃的MFD电阻。为了方便计算电阻R16优选为1KΩ。

作为一种优选，所述多通道数模转换芯片为AD7799芯片；温度传感器JI 的两端头分别与AD7799芯片的信号采集端口A1N1+和A1N1-相连接；所述采样电阻R16的两端分别与AD7799芯片的信号采集端口A1N3+和A1N3-相连接。

所述AD7799芯片通过SPI接口与上位控制器相连，其中上位控制器控制AD7799的通道选通，以进行相应电压采集；AD7799将采集的模拟电压信号转化为数字信号后回传到上位控制器中进行计算处理。AD7799具有3选1的通道选通功能和数模转化功能，能耗低且控制技术成熟，可以满足本系统的需求。

作为一种优选,所述MOS管为电压型，电压型MOS管相比于电流MOS管具有低能耗的特点，可满足降低系统功耗的要求。

作为一种优选，电阻R67为分压保护电阻，其电阻值为 1MΩ量级，可防止MOS管因为TCON端口输入电压过大而损坏的情况。

一种节能自动AD温度采集监控方法，该方法包含如下步骤：

步骤一：温度单元打开温度检测的电源：通过控制接口TCON输出一个较高的电压到MOS管的G端，该电压大于MOS管的阈值电压，使得MOS开启，从而使整个电路形成回路而导通。

步骤二：电路导通后，延迟>3S等待电源稳定，（具体的延迟时间设定根据系统情况而定）。

步骤三：控制单元设置AD7799芯片的相应通道，即先后打开AD7799芯片的A1N1+、A1N1-和A1N3+、A1N3-端口,测量相应的电压值。

步骤四：将采集到的高精度采样电阻R16两端的电压值V16=V_(A1N3+)-V_(A1N3-)，除以R16电阻值，计算得出电路的电流值I，然后根据热电阻PT1000两端的电压值Vpt=V_(A1N1+)-V_(A1N3-)除以电流值得到PT1000的电阻值：Rpt=Vpt/I。

步骤五：电压测量结束后，将AD7799设置为POWER-DOWN模式，并将AD7799芯片的电源开关PSW打开，以降低功耗。

步骤六：控制单元通过控制接口TCON输入一个较低电压到MOS管的G端，该电压小MOS管的阈值电压，使得MOS关闭，使整个电路处于管断的状态。

步骤七：将得到的AD值对照PT1000分度表，利用线性插差值算法计算出实际温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本一种节能自动AD温度采集监控系统，相比于复杂的后期处理电路，本发明采用了高精度采样电阻和基于PT1000的温度传感器，通过PT1000两端和高精度采样电阻两端的电压，间接计算出测量温度值，电路简单,采集的温度数据准确可靠，采用辅助芯片体积小巧，可集成化程度高。采用上位控制器控制温度采集电路的开启和关断，当不进行温度测量时电路关断，没有电量的消耗，节能可高达90%，同时采用低功耗的电压型MOS管、AD7799低能耗芯片等；分别从系统设计和电路原件角度全面的采用节能设计，优化了系统性能，降低了系统的功耗，适用于各种需要精确检测温度的场合。

附图说明：

图1是温度检测电路原理图。

图2是电源电路图。

图3是节能自动AD温度采集监控方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种节能自动AD温度采集监控系统，如图1所示：包括电源接口V30-T、电阻R2、温度传感器JI、电阻R16，电阻R17、MOS管、电阻R67和TCON接口；其中电源接口V30-T、电阻R2、温度传感器JI、电阻R16和电阻R17依次串联；串联后的R17端口与MOS管的D极相连接， MOS管的G极与TCON接口相连，而MOS管的S极接地；电阻R67一端接入TCON接口与MOS管的G极之间，另一端接地。

所述TCON接口与上位控制器相连，上位控制器可选用低功耗的MCU芯片（比如说: EFM32WG980F256芯片,或其他MCU芯片），保证了计算的精度和运行的效率。

所述温度传感器JI 的两端头为分别与AD7799芯片的信号采集端口A1N1+和A1N1-相连接，温度传感器JI选用高精度的PT1000。

所述电阻R16为采样电阻，R16电阻值为1KΩ，精度为±0.1%、温漂为±5PPM/℃的MFD电阻，电阻R16的两端分别与AD7799芯片的信号采集端口A1N3+和A1N3-相连接，可以看出A1N1-与A1N3+的电压值相等。所述AD7799芯片通过其SPI接口与上位控制器EFM32WG980F256芯片相连。

所述MOS管为电压型，其型号为MOS2302（也可以是其他满足系统要求的电压型MOS管），电压型MOS管相比于电流MOS管具有低能耗的特点，可满足降低系统功耗的目的。

电阻R2和电阻R17为两个分压保护电阻，分别防止V30-T输出电压过高，以及采样电阻R16端的电压过高，电阻R2和电阻R17可以选用电阻值为1KΩ，精度为±0.1%、温漂为±5PPM/℃的MFD电阻，也可以选用合适的普通电阻，选用精密电阻可增加系统的稳定性和测量值的准确度，而普通电阻成本低。此外电阻R67的电阻值为1MΩ量级，电阻R67为分压保护电阻，可防止MOS管因为TCON端口输出的电压过大而损坏的情况。

所述电源接口V30-T所接的电源电路具有稳压和滤波功能，如图2所示：包括VDD B/W上位电源接口、第一电容C1、第二电容C2、单通道线性稳压器（比如说：TLV70430）、第三电容C3、第四电容C4和下位电源接口V30-T；其中VDD B/W上位电源接口、单通道线性稳压器TLV70430和下位电源接口V30-T依次串联。第一电容C1和第二电容C2并联后的两端头分别接VDD B/W上位电源接口和接地，主要作用是滤除VDD B/W端口输出电压的毛刺和噪声信号，第三电容C3和第四电容C4并联后的两端头分别接V30-T接口和接地，主要作用是再次滤除单通道线性稳压器TLV70430输出电压的毛刺和噪声信号。这种上位电源接口设计可以很方便的将本节能自动AD温度采集监控系统接入其他系统模块中，上位电源输出电压经过两级并联接地电容以及单通道线性稳压器TLV70430的稳压和滤波过程后，输出到V30-T端口，输出电压稳定且无杂波。可以保证整个温度采集电路系统工作过程中电压稳定，测量结果准确可靠；上述电源电路也可以采用独立的稳压电源代替。

系统工作流程如图3所示：需要进行温度测量时，通过上位控制器EFM32WG980F256，发出电路开启指令到TCON端口：具体的过程是上位单元输出一个较高的电平到TCON端口，该电压大于电路MOS管的阈值电压，使MOS开启，整个温度检测电路形成回路；此过程相当于打开检测电源。电路连通以后需要根据系统情况延迟8S(延迟时间的设定根据系统的具体情况而定，通常>3S，本系统为8S)，等待电源电压以及系统电压分布稳定。

此后通过上位控制器设置AD7799芯片的相应通道，先后打开将AD7799芯片的A1N1+、A1N1-和A1N3+、A1N3-端口,测量出相应的电压值。将采集的高精度电阻R16两端的电压值V16=V_(A1N3+)-V_(A1N3-)，除以R16电阻值1000，计算得出电路的电流值I，即I= V16/1000，然后根据热电阻PT1000两端的电压值Vpt=V_(A1N1+)-V_(A1N3-)除以电流值得到PT1000的电阻值：Rpt=Vpt/I。

测量过程结束，将AD7799设置为POWER-DOWN模式，并将AD7799芯片的电源开关PSW打开，以降低功耗。此后控制程序信号通过TCON端口输入一个较低电压到MOS管的G端，该电压小于MOS管的阈值电压，使得MOS关闭，使整个电路处于管断的状态，此过程相当于关闭了温度采集电源开关。

最后将得到的AD值对照PT1000分度表，利用线性插差值算法计算出实际温度。由于AD7799芯片及其控制方法已经成熟，在此对其控制过程不再赘述。

本一种节能自动AD温度采集监控系统，通过测量传感器两端和高精度采样电阻两端电压间接计算出测量温度值，电路简单,采集的温度数据准确可靠，采用集成芯片体积小巧，可集成化程度高。采用上位控制器控制温度采集电路的开启和关断，当不进行温度测量时电路关断，没有电量的消耗，节能可高达90%，同时采用低功耗的电压型MOS管、AD7799低能耗芯片等；分别从系统设计和电路原件角度全面的采用节能设计，优化了系统性能，降低了系统的功耗，适用于各种需要精确检测温度的场合。

Claims (9)

1.一种节能自动AD温度采集监控系统，包括上位控制器单元、温度检测电路和多通道数模转换芯片，其特征是：所述温度检测电路，包括温度传感器J1和采样电阻R16，所述温度传感器J1和采样电阻R16串联；所述温度传感器J1的两端头和采样电阻R16的两端头分别与所述多通道数模转换芯片的对应信号采集通道相连；所述多通道数模转换芯片与上位控制器相连；

上位控制器与所述温度检测电路的控制接口相连，上位控制器通过向所述温度检测电路的控制接口发送控制信号，以控制所述温度检测电路的连通和关断。

2.如权利要求1所述的一种节能自动AD温度采集监控系统，其特征是：所述温度检测电路，包括电源接口V30-T、电阻R2、温度传感器JI、AD7799芯片、电阻R16，电阻R17、MOS管、电阻R67和控制接口TCON；电源接口V30-T、电阻R2、温度传感器JI、电阻R16和电阻R17依次串联；串联后的R17端口与MOS管的D极相连接， MOS管的G极与TCON接口相连，而MOS管的S极接地；电阻R67一端接与MOS管的G极与TCON接口之间，另一端接地。

3.如权利要求2所述的一种节能自动AD温度采集监控系统，其特征是：所述控制接口TCON与上位控制器相连，通过上位控制器所发出的控制信号以及对应的高、低电平控制MOS管开启或关断，从而控制整个温度采集电路的开启或关断。

4.如权利要求1或2所述的一种节能自动AD温度采集监控系统，其特征是：所述电源接口V30-T所接的电源电路包含滤波电容和稳压器。

5.如权利要求1或3所述的一种节能自动AD温度采集监控系统，其特征是：温度传感器J1选用高精度的PT1000。

6.如权利要求1或2所述的一种节能自动AD温度采集监控系统，其特征是：所述采样电阻电阻R16是电阻值为1KΩ，精度为±0.1%、温漂为±5PPM/℃的MFD电阻。

7.如权利要求1或所述的一种节能自动AD温度采集监控系统，其特征是：所述多通道数模转换芯片为AD7799芯片；温度传感器JI 的两端头分别与AD7799芯片的信号采集端口A1N1+和A1N1-相连接；所述采样电阻R16的两端分别与AD7799芯片的信号采集端口A1N3+和A1N3-相连接；所述AD7799芯片通过SPI接口与上位控制器相连。

8.如权利要求2所述的所述温度检测电路，其特征是：所述MOS管为电压型。

9.如权利要求1所述的一种节能自动AD温度采集监控系统，其特征是,实现方法包含以下步骤：

步骤一：控制单元通过控制接口TCON输出一个较高的电压到MOS管的G端，该电压大于MOS管的阈值电压，使得MOS开启，从而使温度检测电路形成回路而导通；

步骤二：电路导通后，延迟等待电源稳定；

步骤三：控制单元设置AD7799芯片的相应通道，即先后打开芯片AD7799的A1N1+、A1N1-和A1N3+、A1N3-端口,测量相应的电压值；

步骤四：将采集到的高精度采样电阻R16两端的电压值V16=V(A1N3+)-V(A1N3-)，除以R16电阻值，计算得出电路的电流值I，然后根据热电阻PT1000两端的电压值Vpt=V(A1N1+)-V(A1N3-)除以电流值I，得到PT1000的电阻值：Rpt=Vpt/I；

步骤五：将AD7799芯片设置为POWER-DOWN模式，并将AD7799芯片的电源开关PSW打开，以降低功耗；

步骤六：控制单元通过控制接口TCON输入一个小于MOS管阈值电压的较低电压到MOS管的G端， 使MOS关闭，使温度检测电路处于关断的状态；

步骤七：将得到的PT1000电阻值Rpt对照PT1000分度表，利用线性插差值算法计算出实际温度。