CN115752792A - 一种多路温度测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种多路温度测量电路及测量方法，包括信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块，信号采集模块与信号处理模块电性连接，信号处理模块与信号输出模块电性连接，信号采集模块采集被测物体温度信号并将其转换为电阻信号，信号处理模块将电阻信号转换为电压信号，将电压信号经过选择、缓冲隔离和模数转换后进行电平转换，并通过信号输出模块读取相应的数字量信号。本发明设计成本低、测量精度高、工作可靠性强，便于实现多路不同位置温度的集中采集，通过FPGA可以读取每路温度对应的数字量，再结合阻抗‑电压变换电路及拟合函数算出每路的温度值。

Description

一种多路温度测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种多路温度测量电路及测量方法。

背景技术

相比于传统的温度传感器，热敏电阻具有体积小、成本低、灵敏度高和热惯性小的优点；因此，热敏电阻已经广泛应用于“点温”测量、多路温度测量以及特定快速变化测量等场合。

目标点的温度测量是测量电路的主要任务；为了测量目标点的温度，人们设计了许多温度测量电路，主要有：

热电偶测量：电路通过两种不同材料的导体或半导体的两端连接点在温度不同时会产生热电效应的原理进行测温；但是将热电偶的电压信号转换为可用的温度读数信号需要大量复杂的信号调理电路。此外金属特性会导致热电偶内部固有的不准确性，并且在某些工况下热电偶会随着时间的推移逐渐受到腐蚀，当测量毫伏级信号时易受到杂散电场和磁场产生的噪声影响，上述现象均会导致热电偶的测量精度降低。

铂电阻测量：电路通过阻值随温度的变化而改变这一特性进行测温；但是将铂电阻的阻值信号转换为模数转换器可测的电压信号需要H桥、多级运放等较为复杂的信号调理电路，电路设计成本较高，功耗较大。

集成电路测量：分为模拟式集成电路和数字式集成电路两种；模拟式集成电路输出为模拟信号，数字式集成电路输出为数字信号；但是集成电路测温范围比较有限，而且存在自热、工作不稳定、响应速度慢以及需要外接电源等问题。

发明内容

针对现有算法的不足，本发明提供一种结构简单、设计成本低廉的多路温度测量电路及测量方法。

本发明所采用的技术方案是：一种多路温度测量电路包括：

信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块，信号采集模块与信号处理模块电性连接，信号处理模块与信号输出模块电性连接，信号采集模块采集被测物体温度信号并将其转换为电阻信号，信息处理模块将电阻信号转换为电压信号，将电压信号经过选择、缓冲隔离和模数转换后进行电平转换,并通过信号输出模块读取相应的数字量信号。

进一步的，信号输出模块为FPGA单元。

进一步的，信号采集模块为热敏电阻单元，热敏电阻单元包括若干个热敏电阻。

进一步的，信号处理模块包括：阻抗-电压变换单元、模拟开关单元、电压跟随器单元、模数转换器单元和电平转换单元，阻抗-电压变换单元的输入端与热敏电阻单元的输出端电性连接，阻抗-电压变换单元的输出端与模拟开关单元的输入端电性连接，模拟开关单元的输出端与电压跟随器单元的输入端电性连接，电压跟随器单元的输出端与模数转换器单元的输入端电性连接，模数转换器单元的输出端与电平转换单元的输入端电性连接，电平转换单元的输出端与FPGA单元的输入端电性连接；热敏电阻单元将多路温度信号转换为多路电阻信号，多路电阻信号通过阻抗-电压变换单元转换为多路模拟电压信号，多路模拟电压信号经模拟开关选择后变为一路模拟电压信号输出，一路模拟电压信号经电压跟随器单元的缓冲隔离和跟随后进入模数转换器单元，通过模数转换器单元转换为数字信号，电平转换单元将数字信号的电平进行转换以匹配FPGA单元的接口电平，转换后的数字信号由FPGA单元进行读取，FPGA单元还为模拟开关单元和模数转换器单元提供驱动信号。

进一步的，模拟开关单元包括若干个模拟开关，电压跟随器单元包括若干个电压跟随器，电平转换单元包括若干个电平转换器，模数转换器单元包括若干个模数转换器。

进一步的，还包括电源模块，电源模块与信号处理模块和信号输出模块电性连接，并为信号处理模块和信号输出模块供电。

进一步的，电源模块包括：精密电压基准源单元，第一电压源单元，第二电压源单元，第三电压源单元和第四电压源单元，第一电压源单元与精密电压基准源单元电性连接，精密电压基准源单元分别与阻抗-电压变换单元和模数转换器单元电性连接，精密电压基准源单元将第一电压源单元的电压转换为精密的参考电压，第二电压源单元分别与模拟开关单元、电压跟随器单元、模数转换器单元和电平转换单元电性连接并提供供电电压，第三电压源单元分别与电平转换单元和FPGA单元电性连接并提供供电电压，第四电压源单元与FPGA单元电性连接并提供供电电压。

由于电平转换单元和FPGA单元均需要两种不同等级的电压供电，每个电压源单元代表一种电压等级。

进一步的，模拟开关单元包含N个模拟开关，每个模拟开关有M个模拟量输入通道，模数转换器单元包含Q个模数转换器，每个模数转换器有P个模拟量输入通道，对应测量温度的路数公式：S＝MN＝MPQ。

进一步的，当FPGA单元从模数转换器单元读取的数字量为D，模数转换器的分辨率为n位，模数转换器的正参考电压值和负参考电压值分别为V_r和0，温度为t时的热敏电阻的阻值为R_t，阻抗-电压变换单元的分压电阻为R_f，阻抗-电压变换单元的供电电压为V_r时，得到热敏电阻的各温度点t的公式：

其中，f(·)是以lnR_t为自变量的函数。

多路温度测量电路的测量方法，包括：

步骤一、通过分压电阻的阻值和模数转换器的输入电压得到热敏电阻的阻值；

步骤二、根据热敏电阻各温度点的温度和对应电阻值构建热敏电阻的温度点拟合函数；

步骤三、根据热敏电阻的温度点拟合函数和热敏电阻的阻值，计算热敏电阻各温度点的温度值。

本发明的有益效果：

1、本发明设计成本低、测量精度高、工作可靠性强，便于实现多路不同位置温度的集中采集，通过FPGA可以读取每路温度对应的数字量，再结合阻抗-电压变换电路算出每路温度对应的热敏电阻阻值，然后只需简单的计算即可获得每路的温度值；方法计算简洁，并提供了一套标准的温度测量流程。

附图说明

图1是本发明的多路温度测量电路的结构框图；

图2是本发明的阻抗-电压变换单元的电路原理及其与其它电路单元连接关系图；

图3是本发明的通过热敏电阻测量温度的流程图；

图1中，101、热敏电阻单元；102、阻抗-电压变换单元；103、模拟开关单元；104、电压跟随器单元；105、模数转换器单元；106、电平转换单元；107、FPGA单元；108、精密电压基准源单元；109、第一电压源单元；110、第二电压源单元；111、第三电压源单元；112、第四电压源单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种多路温度测量电路包括：

热敏电阻单元101、阻抗-电压变换单元102、模拟开关单元103、电压跟随器单元104、模数转换器单元105、电平转换单元106、FPGA单元107、精密电压基准源单元108、第一电压源单元109、第二电压源单元110、第三电压源单元111和第四电压源单元112；热敏电阻单元101的输出端与阻抗-电压变换单元102的输入端电性连接，阻抗-电压变换单元102的输出端与模拟开关单元103的输入端电性连接，模拟开关单元103的输出端与电压跟随器单元104的输入端电性连接，电压跟随器单元104的输出端与模数转换器单元105的输入端电性连接，模数转换器单元105的输出端与电平转换单元106的输入端电性连接，电平转换单元106的输出端分别与FPGA单元107的输入端、模拟开关单元103的输入端和模数转换器单元105的输入端电性连接，FPGA单元107的输出端与电平转换单元106的输入端电性连接，精密电压基准源单元108的输出端分别与阻抗-电压变换单元102的输入端和模数转换器单元105的输入端电性连接，第一电压源单元109的输出端与精密电压基准源单元108的输入端电性连接，第二电压源单元110的输出端分别与模拟开关单元103的输入端、电压跟随器单元104的输入端、模数转换器单元105的输入端和电平转换单元106的输入端电性连接，第三电压源单元111的输出端分别与电平转换单元106的输入端和FPGA单元107的输入端电性连接，第四电压源单元112的输出端与FPGA单元107的输入端电性连接。

结合图1进一步说明多路温度测量电路原理；热敏电阻单元101可以将多路温度信号转换为多路电阻信号，多路电阻信号通过阻抗-电压变换单元102转换为多路模拟电压信号，某一时刻多路模拟电压信号经模拟开关选择后变为一路模拟电压信号输出，一路模拟电压信号经电压跟随器单元104缓冲隔离和跟随后进入模数转换器单元105，通过模数转换器单元105转换为数字信号，电平转换单元106将数字信号的电平进行转换以适应FPGA单元107的接口电平，最终转换后的数字信号由FPGA单元107进行读取，FPGA单元107还为模拟开关单元103和模数转换器单元105提供驱动信号；精密电压基准单元108将第一电压源单元109的电压转换为精密的参考电压并分别为阻抗-电压变换单元102和模数转换器单元105提供供电电压及参考电压。

本实施例中各单元模块具体型号为：热敏电阻单元101型号为：B6；模拟开关单元103型号为：CD4051BE；电压跟随器单元104型号为：LM6142AIN；模数转换器单元105型号为：TLC2543IN；电平转换单元106型号为：B54ACS164245SARH；FPGA单元107型号为：A3PE3000-FG484I；精密电压基准源单元108型号为：AD584TH。

定义N为模拟开关单元103包含的模拟开关数量，M为每个模拟开关单元包含的模拟量输入通道数量，Q为模数转换器单元105包含的模数转换器数量，P为每个模数转换器包含的模拟量输入通道数量，假设其它电路单元容量(FPGA的输入/输出管脚数量、电压跟随器数量和热敏电阻数量等)足够大，理论上该电路可以测量温度的最多路数为：

S＝MN＝MPQ (1)

本具体实施方式还公开了采用多路温度测量电路的测量方法，如图2、3所示，定义R_t(单位：kΩ)为温度为t(单位：℃)时的热敏电阻的阻值，R_f(单位：kΩ)为阻抗-电压变换单元的分压电阻，V_r(单位：V)为阻抗-电压变换单元的供电电压，U_t(单位：V)为阻值为R_t时热敏电阻两端的电压，由集成运算放大器的虚断知识可知每组的分压电阻和对应的热敏电阻是串联关系，则根据电路知识可得：

定义D为FPGA单元从模数转换器单元读取的数字量(十进制数值)，n为模数转换器的分辨率位数，V_r(单位：V)和0分别为模数转换器的正参考电压值和负参考电压值，U_ad(单位：V)为模数转换器的输入电压，则由模数转换器的工作原理可知：

根据多路温度测量电路可知热敏电阻两端的电压U_t与模数转换器的输入电压U_ad相等。

将公式(2)和(3)联立可得温度为t时的热敏电阻的阻值为：

通常厂家会提供每个热敏电阻各温度点t对应的电阻值R_t，然后将各温度点t及对应的电阻值R_t导入到Excel中，为了能够对后续的数据进行方便和精确的拟合，定义一个以热敏电阻阻值R_t为真数的自然对数lnR_t，再以lnR_t为自变量，温度点t为因变量，通过Excel得到热敏电阻的温度点t的拟合函数：

t＝f(ln R_t) (5)

其中，f(·)是以lnR_t为自变量的函数。

将公式(4)和(5)联立可得各温度点t的表达式为：

本具体实施方式中公开的基于热敏电阻的多路温度测量电路，既可以测量正的温度，也可以测量负的温度，有效地拓展了温度的测量范围。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种多路温度测量电路，其特征在于，包括：信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块，信号采集模块与信号处理模块电性连接，信号处理模块与信号输出模块电性连接，信号采集模块采集被测物体温度信号并将其转换为电阻信号，信号处理模块将电阻信号转换为电压信号，将电压信号经过选择、缓冲隔离和模数转换后进行电平转换,并通过信号输出模块读取相应的数字量信号。

2.根据权利要求1所述的多路温度测量电路，其特征在于：信号输出模块为FPGA单元。

3.根据权利要求1所述的多路温度测量电路，其特征在于：信号采集模块为热敏电阻单元，热敏电阻单元包括若干个热敏电阻。

4.根据权利要求2所述的多路温度测量电路，其特征在于，信号处理模块包括：阻抗-电压变换单元、模拟开关单元、电压跟随器单元、模数转换器单元和电平转换单元，阻抗-电压变换单元的输入端与热敏电阻单元的输出端电性连接，阻抗-电压变换单元的输出端与模拟开关单元的输入端电性连接，模拟开关单元的输出端与电压跟随器单元的输入端电性连接，电压跟随器单元的输出端与模数转换器单元的输入端电性连接，模数转换器单元的输出端与电平转换单元的输入端电性连接，电平转换单元的输出端与FPGA单元的输入端电性连接；热敏电阻单元将多路温度信号转换为多路电阻信号，多路电阻信号通过阻抗-电压变换单元转换为多路模拟电压信号，多路模拟电压信号经模拟开关选择后变为一路模拟电压信号输出，一路模拟电压信号经电压跟随器单元的缓冲隔离和跟随后进入模数转换器单元，通过模数转换器单元转换为数字信号，电平转换单元将数字信号的电平进行转换以匹配FPGA单元的接口电平，转换后的数字信号由FPGA单元进行读取；FPGA单元还为模拟开关单元和模数转换器单元提供驱动信号。

5.根据权利要求4所述的多路温度测量电路，其特征在于：模拟开关单元包括若干个模拟开关，电压跟随器单元包括若干个电压跟随器，电平转换单元包括若干个电平转换器，模数转换器单元包括若干个模数转换器。

6.根据权利要求4所述的多路温度测量电路，其特征在于：还包括电源模块，电源模块与信号处理模块和信号输出模块电性连接，并为信号处理模块和信号输出模块供电。

7.根据权利要求6所述的多路温度测量电路，其特征在于，电源模块包括：精密电压基准源单元，第一电压源单元，第二电压源单元，第三电压源单元和第四电压源单元，第一电压源单元与精密电压基准源单元电性连接，精密电压基准源单元分别与阻抗-电压变换单元和模数转换器单元电性连接，精密电压基准源单元将第一电压源单元的电压转换为精密的参考电压，第二电压源单元分别与模拟开关单元、电压跟随器单元、模数转换器单元和电平转换单元电性连接并提供供电电压，第三电压源单元分别与电平转换单元和FPGA单元电性连接并提供供电电压，第四电压源单元与FPGA单元电性连接并提供供电电压。

8.根据权利要求4所述的多路温度测量电路，其特征在于：当模拟开关单元包含N个模拟开关，每个模拟开关有M个模拟量输入通道；模数转换器单元包含Q个模数转换器，每个模数转换器有P个模拟量输入通道时，对应测量温度的路数公式：S＝MN＝MPQ。

9.根据权利要求8所述的多路温度测量电路，其特征在于：当FPGA单元从模数转换器单元读取的数字量为D，模数转换器的分辨率为n位，模数转换器的正参考电压值和负参考电压值分别为V_r和0，温度为t时的热敏电阻的阻值为R_t，阻抗-电压变换单元的分压电阻为R_f，阻抗-电压变换单元的供电电压为V_r时，得到热敏电阻的各温度点t的公式：

其中，f(·)是以lnR_t为自变量的函数。

10.采用权利要求1-9任意一项所述的多路温度测量电路的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、通过分压电阻的阻值和模数转换器的输入电压得到热敏电阻的阻值；

步骤二、根据热敏电阻各温度点的温度和对应电阻值构建热敏电阻的温度点拟合函数；

步骤三、根据温度点拟合函数和热敏电阻的阻值，计算热敏电阻各温度点的温度值。

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