CN211602212U - 基于多路复用器的温度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多路复用器的温度检测系统。本发明组成包括高精密可调稳压源电路、4个电桥电路、两个4通道多路复用器、放大电路、PT100温度传感器，所述整个系统以PT100温度传感器进行测温，多路复用器提供的电压信号流经电桥电路，使其两端能够产生随温度变化而呈线性变化的电压信号，第一个4通道多路复用器用于电桥电路的接入，第二个4通道多路复用器用于信号检测，高精密可调稳压源提供稳定合适的电压信号，放大电路用于电压的放大调整，该系统使用多路复用器进行电路间的切换，实现4路PT100温度检测，与传统的方法相比，具有节约资源、体积小与灵活性高、低功耗且稳定可靠、高精度、应用性能显著等优点。

Description

基于多路复用器的温度检测系统

技术领域

本发明属于一种温度检测方法，具体涉及一种基于多路复用器的温度检测系统。

背景技术

温度在家用电器、安全生产和汽车工业、工业自动化、环境保护等方面，都是最重要、最基本的检测参数之一，也是最核心的衡量指标和测温系统中最为重要的被控参数，一般温度检测点占所有的检测点50%以上。近年来，由机器因温度故障发生事故的例子比比皆是，尤其是在工业生产过程中，长期运行的电机、轴承、各种各样的机械手等设备，常因为超高温过热故障，在加上现场工业环境复杂恶劣，经常导致整个设备的损坏，甚至发生人身安全事故。温度无论是对工业生产还是人身安全都产生极大的威胁。所以必须实时检测这些设备的温度，出现高温或异常情况时报警或停机不工作，以防设备损坏，避免人身事故的发生。随着科学技术的发展，各个企业采用了强化生产手段，对温度检测技术提出了更高的要求，希望用新的检测设备或方法，制造出适应性更强、精度更高、性能更可靠稳定、并具有智能功能的新一代检测系统或方法。

目前传统的检测方法大都采用温度检测仪表，由温度变送器构成的压力测温系统是最早应用于生产过程的测量方法之一，带电接点的压力式测温系统常作为电路接点开关用于温度就地控制；但其测温范围有限，响应时间慢、热损失大，精度受环境的影响而且仪表维修工作复杂。随着温度检测技术的发展，再后来，利用热电偶、热电阻进行测温，传统的PT100温度传感器检测温度的原理主要是PT100热敏电阻随温度的上升而改变电阻值，一定的电量信号流经到PT100，会使其两端输出的电压信号呈线性，经过放大后输出，再利用模拟转换器将电压值准换为数字信号，在进行读取计算得到所测的温度值。但是这种检测方法需要的大量检测仪器或检测电路才能满足工业生产中的应用，造成企业的高投入、低精度，且低可靠性和操作复杂，难以适应工业现场多变复杂的环境。

因此，本发明提供一种设计结构简单、响应速度快，具有节约资源、体积小与灵活性高、低功耗、高精度且稳定可靠，应用效果显著的基于多路复用器的温度检测系统，成为工业生产过程中温度检测亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是基于多路复用器的温度检测系统克服传统检测方式的不足之处，提供一种结构简单、性能可靠、实用效果显著的基于多路复用器的温度检测系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：基于多路复用器的检测系统，它包括高精密可调稳压源电路、4个电桥电路、两个4通道多路复用器、放大电路、PT100温度传感器，所述整个系统以PT100温度传感器进行测温，多路复用器提供的电压信号流经电桥电路，使其两端能够产生随温度变化而呈线性变化的电压信号，第一个4通道多路复用器用于电桥电路的接入，第二个4通道多路复用器用于信号检测，高精密可调稳压源提供稳定合适的电压信号，放大电路用于电压的放大调整。该系统使用多路复用器进行电路间的切换，实现4路PT100温度检测，与传统的方法相比，具有节约资源、体积小与灵活性高、低功耗且稳定可靠、高精度、应用性能显著等优点。

所述的基于多路复用器的温度检测系统，所述的高精密可调稳压源电路包括高精密基准电压源、旁路电容、发光二极管、稳压IC、滤波电容、电阻、外接5V电源。由外接电源接入高精密基准电压源，调整输出一定规格的电压作为输入给稳压IC，由稳压IC稳定输出标准的电压信号并与第一个4通道多路复用器的公共输出D引脚连接，其中基准电压源的型号是LM117、稳压IC是REF3030。

进一步地，所述电桥电路包括4个用于测温的PT100温度传感器和若干个一定精度的电阻，每个PT100与三个电阻构成电桥电路，共四个电桥电路，其中电阻的精度都为0.1%。

进一步地，所述的两个4通道多路复用器，第一个4通道多路复用器与四个电桥电路的输入点连接，为电桥电路提供标准的电压信号。第二个4通道多路复用器与四个电桥电路的输出连接用于电压采样，且这两个4通道多路复用器之间通过二进制地址线连接；所述第一个4通道多路复用器和第二个4通道多路复用器可以按照倍数关系进行扩展，以便实现更多路的温度检测。

进一步地，所述放大电路包括差分放大器、放大反馈电阻、电容，差分放大器与第二个4通道多路复用器的公共差分输出端DB和DA引脚连接；其中差分放大器的型号为AD623。

进一步地，所述的PT100温度传感器采用三线制接法，PT100的一端PT1_2与三个精密电阻构成电桥电路，另一端PT1_1则与电桥电路的输出一起作为第二个4通道多路复用器的四路输入之一，最后一端接地或电源负极，上述四路PT100构成的电桥电路接法均相同。

本发明的有益效果是：基于多路复用器的温度检测系统，可以连接多达四路或更多路的PT100温度传感器。由外接5V电源经过调整稳压输出标准的3V电压信号即可长期稳定运行，经过模拟多路复用器的信号转换输出后，由差分放大器进行调整输出至外部模拟（数字）转换器，进而计算所测的温度值。节能低功耗，工作电流最大至550uA，而且差分放大器有着高精度直流性能，增益精度可达0.10%。本发明的检测系统可外接任何模拟（数字）转换器、单片机等可编程设备，也可附加任何通信设备实现实时检测温度信号并上传到上位机，以供实时监视温度的变化。其具有低成本、设计结构简单、响应速度快，具有节约资源、体积小与灵活性高、低功耗、高精度且稳定可靠，应用性能显著等优点。

1）本发明的高精密可调稳压源电路，低功耗、高精密，提供标准的电压信号。基准电压源LM117具有电流限制和热保护功能，来确保芯片和功率稳定性，输出电压的精度在±1%以内且固定输出电压范围宽。低功耗和相对较高的精度使得REF30xx系列非常适合环路供电式工业中应用，REF3030为低压CMOS多路复用器提供标准的3.00v电压，不需要额外的提供电源电压，供电可靠稳定。

2）本发明的电桥电路，其结构简单、操作方便、检测可靠，PT100以三线制连接的方式，将PT100两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，这样可以消除导线上电阻减小系统的误差。

3）本发明的两个4通道多路复用器，第一个4通道多路复用器是低压CMOS多路复用器其导通电阻0.5Ω~0.8Ω，快速开关时间< 25ns，典型功耗<0.1μW，简单高效易于使用；第二个4通道多路复用器是低压CMOS模拟多路复用器，导通电阻4.5Ω，轨到轨工作方式有助于扩展动态范围和提高性能。这两个4通道多路复用器的使用不仅能同时灵活操作多路PT100检测，而且还节约大量元器件，减小了PCB板面积。

4）本发明的放大电路，其结构简单，放大效果显著。AD623高精度直流性能，增益精度有：0.10% (G = 1)和0.35% (G > 1)；增益通过一个外部电阻设置，增益范围可达1至1000，对采集的电压信号进行放大后输出，再由单片机AD转换或其他模拟转换器进行转换计算。

5）本发明的PT100温度传感器采用三线制接法，抵消导线间的电阻，减小系统误差，PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器，工作温度范围宽，大约在-200度-600度范围之间。其测量准确度高、复现性和稳定好，所以广泛受工业界的使用。

附图说明

图1为本发明摘要系统框图。

图2为本发明高精密可调稳压源电路图

图3为本发明电桥电路图

图4为本发明两个多路复用器图。

图5为本发明放大电路图

图6为本发明PT100温度传感器接线图

具体实施方式

以下结合附图，多依据本发明提供的具体实施方式特征进行详细介绍。结合附图1所示，基于多路复用器的温度检测系统，包括高精密可调稳压源电路、4个电桥电路、两个4通道多路复用器、放大电路和4个PT100温度传感器。高精密可调稳压电路与第一个4通道多路复用器连接，电桥电路分别与第一个、第二个4通道多路复用器连接，第一个4通道多路复用器与第二个4通道多路复用器之间用地址线进行连接，放大电路与第二个4通道多路复用器连接，拿其中一个PT100举例说明，PT100的一端PT1_2与三个精密电阻构成电桥电路，另一端PT1_1则与第二个4通道多路复用器连接，最后一端接地或电源负极。

结合图2所示，工业所需设备的额定电压一般都≥380V，即本发明使用外部转接5V给基准电压源LM117供电。通过外部电阻其输出电压范围为1.25V至13.8V，可输出1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V型号的电压，固定电压输出范围宽，可随意调整输出电压型号，本次发明设计需要输出3.3V的电压。LM117的输出(Vo)端和调整（G）端之间为1.25V的基准电压，即2脚和1脚之间的压差为1.25V；调整脚G（1脚）的内阻很大，调整脚的输出电流大约50uA,可忽略不计似为开路，则R26之间的电流为1.25V/510=2.45mA，负载电流与该电流相等。输出端与地端之间加入一个钽电容来改善瞬态响应和稳定性，LM117内部集成过热保护和限流电路，电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。节省空间的SOT-223和LLP封装，线性调整率最大为0.2%、输出电流可达800mA；当基准电压源“浮地”时，并只考虑输入和输出电位差不超过最大耐压值时，则可用在几百伏稳压电路中。DS1发光二极管（0805），用于指示该电路是否正常供电。REF3030是一种高精度，低功耗，低压差基准系列纤巧SOT-23-3封装。REF3030提供出色的温度漂移和初始精度为42μA（典型值）的静态电流，同时运行。低功率消耗和相对高的精度使REF3030为回路供电常在工业中应用，稳压REF3030为第一个4通道多路复用器的公共端（D引脚）提供标准的3V 输出50ppm/℃漂移50uA静态电流的电压信号。REF3030电源与地之间的0.1uF电容用来滤除电源中的高频杂波以免电路态产生自激，稳定电路工作状态。

结合图3所示，PT是4个PT100温度传感器的信号接口，采用三线制接法；将PT100两 侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，消除导线上的电阻来减小系统的误差，实现温 度误差的自动补偿。该电路中的四个电阻都需要用0.1%精度的,由电阻R9、R10、R11、PT100 构成电桥电路，其中R11与R9都是2K。R10是100Ω。为保证电桥输出电压信号稳定，电桥的输 入电压由REF3030来稳定至3V，从电桥获取的差分信号由第二个4通道多路复用器进行选择 控制，输入到差分放大器中进行信号处理。电桥电路是利用电阻或电容的变化量转换为电 压或电流，以供后续电路测量记录，是一种精度和灵敏度很高的测量方式。由R11*R10=R9* PT100（PT100为100Ω时）满足直流电桥的平衡条件；当PT100随温度变化时其阻值呈线性变 化，由电工学可知，电桥输出端的电压为

（也就是PT1_A与PT1_B两端的电压），输入端的 电压为U，则有：

由图3知，R9、R10、R11三个电阻值是固定的，通过欧姆定律可以计算出每个电阻两端的电压。在R11和PT100这个桥臂上，R11与PT100将3.0V电压分压，R11电阻两端得到的电压即为V1；在R9和R10这个桥臂上，R9与R10将3.0V电压分压，R9电阻两端得到的电压即为V2。由前面知U=2.5V，下面分别用欧姆定律计算V1和V2。流过电阻R11和PT100的电流I₁为：

R11两端的电压V1为：

过电阻R9和R10的电流I₂为：

R9两端的电压V2为：

则V1与V2的电压差为：

随着环境温度的变化，PT100的阻值发生变化导致

发生变化，将差分电压

通 过差分运放放大后进入单片机或其他模拟（数字）转换器进行采样，再对照PT100的电阻-温 度对应表就可以计算出当前工作环境的温度。

结合图4所示，第一个4通道多路复用器其型号为ADG804，是一款低压CMOS多路复用器；第二个4通道多路复用器其型号为ADG1609，是一款单芯片CMOS模拟多路复用器。ADG804是低压CMOS多路复用器，内置4通道，工作电压：1.65 V至3.6 V；高载流能力：300 mA连续电流，轨到轨开关工作。整个温度范围内，该器件具有小于0.8 Ω的超低导通电阻。ADG804根据3位二进制地址线A0、A1和EN所确定的地址，将四路输入之一切换至公共输出（D引脚）。当EN引脚为逻辑0时，该元器件将被禁用；ADG804为先开后合式开关复用器。四路输入分别与四路电桥电路的输入连接，通过3位地址线进行4路电桥之间的切换。PT为4路PT100的接入点，地址线的选择逻辑表如下所示

ADG1609为低压CMOS模拟多路复用器，内置4个差分通道，可单电源或双电源供电； 此发明选择单电源供电，供电电压3.3V至16V；连续电流最高达470mA，轨到轨工作方式，也 是先开后合式复用器。ADG1609根据两位二进制地址线A1和A0所确定的地址，将4路差分输 入之一切换至公共差分（DB和DA）输出。EN引脚用来使能或禁用器件，使用时只能是高电平 有效。禁用时，所有通道均关断。当接通时，各开关在两个方向的导电性能相同，输入信号范 围可扩展至电源电压范围。在断开条件下，等于电源电压的信号电平被阻止。设计本身具有 低电荷注入特性，当开关数字输入时，可实现最小的瞬变。这些开关具有低导通电阻特性， 对于低导通电阻、低失真性能至关重要的数据采集和增益开关应用堪称理想解决方案。导 通电阻曲线在整个模拟输入范围都非常平坦，可确保切换电压信号时拥有出色的线性度和 低失真性能。ADG1609将前面所述的四路电桥电路得到的

信号，通过内部切换通道至公 共差分输出。两个4通道多路复用器通过二进制地址线A1和A0相连接，则ADG1609的地址线 选择逻辑表如下所示：

结合图5所示，由第二个4通道多路复用器输出其中一路的差分电压信号

作为 输入给AD623差分放大器，将差分电压信号放大调整后输出至单片机或任一模拟（数字）转 换器直接进行采样检测，经对照PT100的电阻-温度对应表或经过计算便可得到PT100所测 的温度数值。AD623是一款集成式单电源或双电源仪表放大器，采用3 V至12 V电源电压时 提供轨到轨输出摆幅。它可以通过单一增益设置电阻进行编程，赋予用户出众的灵活性。不 接外部电阻时，AD623采用单位增益配置(G = 1)；连接外部电阻时，AD623可通过编程实现 最高增益1000。提高交流共模抑制比(CMRR)并增加增益可使AD623具有出色的精度；由于 CMRR在最高200 Hz时保持稳定，因此线路噪声谐波得到抑制。AD623具有宽输入共模范围， 可以放大共模电压低至地电压以下150 mV的信号。AD623采用双极性和单极性电源供电，能 保持出色的性能。其中RG对应图5中的R8，则差分输出为：

结合图5可知，其电阻R8为放大反馈电阻，阻值是2K且靠近电源处加去耦电容。通过此电路将系统的差分电压信号放大51倍，便于后续对信号的采集检测；R_G可由以下公式计算：

AD623最大输出3.3V电压，3300/51=64.7mV，也就是说电桥的压差最大只能是64.7mV。反相臂的电压，固定是(3000/2100)*100=142.86mV，那么同相臂的电压最大只能是142.86+64.7=207.56mV，对应PT100的电阻就等于207.56/((3000-207.56)/2000)=148.66Ω，查PT100铂电阻分度表得知最大测温点差不多就是127°C，所以这个系统的测温范围就是0~127°C。其（部分）分度表的部分如下表所示：

结合图6所示，PT100温度传感器是一种以白金（Pt）做成的电阻式温度检测器，属于正电阻系数，其电阻和温度变化的关系如下所示：

其中，

为0.00392，

为在零度时的电阻值，T为摄氏温度。之所以采用这种接 法，是因为要克服传统的PT100检测电路带来的缺点，其多路复用器可按倍数扩展，同时切 换更多路的PT100检测，给工业生产带来极大便利，能够大量节约电子元器件、低功耗、操作 简单、运行可靠稳定等显著特点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于多路复用器的温度检测系统，其特征是它的组成包括高精密可调稳压源电路、4个电桥电路、两个4通道多路复用器、放大电路、PT100温度传感器，所述的高精密可调稳压源电路与第一个4通道多路复用器连接，所述电桥电路的输入与输出分别与第一个、第二个4通道多路复用器连接，而且第一个4通道多路复用器与第二个4通道多路复用器之间用地址线进行连接，所述放大电路与第二个4通道多路复用器连接，放大调整输出电压信号。

2.根据权利要求1所述的基于多路复用器的温度检测系统，其特征是高精密可调稳压源电路包括高精密基准电压源、旁路电容、发光二极管、稳压IC、滤波电容、电阻、外部转接5V电源。

3.根据权利要求1所述的基于多路复用器的温度检测系统，其特征是所述电桥电路包括4个用于测温的PT100温度传感器和若干个一定精度的电阻，每个PT100温度传感器与三个电阻构成电桥电路。

4.根据权利要求1所述的基于多路复用器的温度检测系统，其特征是两个4通道多路复用器，其中，第一个4通道多路复用器与四个电桥电路的输入点连接，第二个4通道多路复用器与四个电桥电路的输出连接用于电压采样，且这两个4通道多路复用器之间通过二进制地址线连接。

5.根据权利要求1所述的基于多路复用器的温度检测系统，其特征是放大电路包括差分放大器、放大反馈电阻、电容，输出端外接模拟转换器或单片机等，第二个4通道多路复用器的公共差分端连接差分放大器。

6.根据权利要求1所述的基于多路复用器的温度检测系统，其特征是PT100温度传感器采用三线制接法，PT100的一端与三个精密电阻构成电桥电路，另一端则与电桥电路的输出一起作为第二个4通道多路复用器的四路输入之一，最后一端接地或电源负极。

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