温度传感技术实验数据采集系统的设计与实现

王 锋,张晓峻

(哈尔滨工程大学,黑龙江哈尔滨 150001)

温度传感技术实验数据采集系统的设计与实现

王 锋∗,张晓峻

(哈尔滨工程大学,黑龙江哈尔滨 150001)

利用单片机技术,实现对温度传感技术实验测量结果的实时采集,通过计算机实现数据的实时显示、实验曲线的绘制、结果的保存及打印等多项功能。从而提高实验的效率与质量,让学生更好的理解实验过程及数据变化趋势,同时也对实时智能采集系统产生一定的了解,对学生综合能力的培养十分有益。

温度传感综合技术实验;实时采集;单片机;上位机软件

温度传感技术实验是综合性实验系列中较为重要的学习内容之一。在此实验中通常包含的内容有:测定负温度系数热敏电阻的电阻—温度特性,并利用直线拟合的数据处理方法,求其材料常数;了解以热敏电阻为检测元件的温度传感器的电路结构及电路参数的选择原则;学习运用线性电路和运放电路理论分析温度传感器电压—温度特性的基本方法;学习电阻型、电压型和电流型温度传感器的设计方法;了解以叠代法为基础的温度传感器电路参数的数值计算技术。

依照现有实验仪器,每位学生要在规定时间内完成全部实验数据的测定并记录后,再将所测数据逐一输入到其配套软件中才能得到对应实验曲线、验证实验结论及分析实验结果。这样的实验过程,致使学生很难在实验进行的过程中实时地了解到数据的整体变化趋势,进而导致学生即使在实验中出现了问题,往往也需要在完成了所有的内容并利用配套软件验证时才能发现,非常不利于学生在实验过程中及时发现并纠正错误。

基于上述原因,非常有必要对现有温度传感技术实验系统进行改进,将传统的实验数据处理方法与现代计算机软件技术相结合[1],实现实时采集测量数据,并且实现所采集数据的实时显示、绘制曲线、保存结果及打印等功能。

1 接口电路设计

与现有实验仪对接的电路接口如图1所示。(图中省略了一些常用的基本电路模块,如:电源模块、复位电路等)

图1 接口电路

为了尽量减少新增电路对原有仪器的影响,接口电路通过由运算放大器构成的射随电路来获取原有实验仪电压信号。同样为了能够使得采集结果与原有实验仪器一致,接口电路也通过射随电路获取了原有仪器的参考电压来作为A/D转换的参考电压。

单片机利用接口时序对A/D转换的结果进行采集,为了能够满足不同实验内容的要求,上位计算机软件可根据需要来设定单片机的采集频率及多次平均方式。另外,单片机需要利用异步串口通信技术与上位计算机建立通信。尽管单片机有串行通信的功能,但单片机提供的信号电平与计算机上的串口信号电平的标准不同,因此要通过Max232芯片进行电平转换。

2 上位机软件

上位机软件采用微软公司所发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言c#来编写,通过串口与接口电路进行数据通信,学生们可以通过前台的软件界面方便的控制测量结果的实时采集、曲线绘制及存储结果等功能。

软件主要包含3个区域,分别为:实时数据曲线显示区、实验数据记录区及记录数据曲线显示区,软件主界面如图2所示。

图2 软件主界面

实时数据曲线显示区可以按照预先配置的采集频率来实时显示实验数据及其曲线,经过前端接口电路的处理可以使得软件上所显示的实时数据与原仪器显示屏上所显示的数据一致,从而使得软件的使用者可以利用此软件来彻底替代原仪器的显示功能。另外,可以利用此区域中的“清空实验数据”按钮来重置此区域的显示内容。

实验数据记录区可以利用其中的“添加数据”按钮来添加实验中所需要的记录数据,同时添加的数据将自动的记录数据曲线显示区中显示并连接成平滑曲线。另外,实验数据记录区中还有一个“实验结束”按钮,其作用是用来宣布实验结束并利用软件中内置的最小二乘法来对实验数据进行处理并生成可用来存储或打印报告。

接口电路的采集频率及多次平均可通过软件的“采集参数设置”按钮来设置,其界面如图3所示。其中,采集频率是指接口电路每秒采集的次数,由于本实验中温度为缓慢变化的物理量,因此其默认值为每秒1次;多次平均是一种比较简单且常用的用来消除随机信号对采集结果影响的数据处理手段,其默认值为8次,即在所设定的采集周期内将采集8次,然后取其平均值来作为此采集周期的采集结果。

图3 采集参数设置界面

由于在每台计算机所使用的串口号无法预知,因此为了使得软件能够适应任何计算机,软件可以通过“通信参数设置”按钮来设定所使用的串口号,如图4所示。

图4 通信参数设置界面

对于初次使用此软件的学生,可以利用软件上的“帮助”按钮来打开此软件的帮助文件。

3 实验数据

在温度传感综合技术实验中有一部分内容为“电压型温度传感器的设计”,此部分实验内容为设计以PN结为热探头的温度传感器。以此部分实验内容为例,应用文中所提到接口电路及相应的上位机软件进行了实验。

PN结在恒流状态下,随着温度的升高,其结电压将线性下降[2],因此温度传感器特性的数学表达式可写成:

式(1)中T为测量温度,Vs为对应的PN结结电压,a及Kv为温度传感器的线性系数。

根据理想运算放大器输入阻抗很高的性质及虚地的概念,可以设计出一种测试恒流状态下PN结结电压随温度变化的电路,如图5所示。

利用图5所示的电路进行实验,可以测定式(1)中的a及Kv,实验中软件显示如图6所示。

图5 恒流状态测试电路

图6 实验中软件显示

实验结果如表1所示,对记录数据进行处理后,可得:a=700,=-2.05,相关系数的平方为R2=0.999 8。

表1 “电压型温度传感器的设计”实验记录数据

4 结 论

综上所述,利用单片机技术及计算机通信技术,将现有温度传感技术实验仪进行改进后,可以实现实验数据的实时采集、同步显示及曲线绘制,并可以方便地保存实验结果及打印。改进后的温度传感技术实验系统可以帮助学生在实验进行的过程中实时地了解到数据的整体变化趋势,以便及时发现并纠正实验错误,另外,还可以帮助学生对实时智能采集系统产生一定了解,整体提高实验效率的同时,也可以进一步改善实验质量,非常有助于对学生综合能力的培养。

[1] 吴卫华,周敏.基于C#的大学物理实验数据处理软件的设计[J].大学物理实验,2012,25(1):56-57.

[2] 叶树中,王吉有,李宝胜.PN结正向压降与温度关系实验的讨论[J].大学物理实验,2013,26(6): 42-44.

Design and Realization of a Real-Time Data Acquisition System for Tem perature Sensing Technology Experiment

WANG Feng,ZHANG Xiao-jun
(Harbin Engineering University,Heilongjiang Harbin 150001)

Using themicrocontroller technology,the proposed system realized the real-time data acquisition for temperature sensing technology experiment.At themeantime,via connecting the computer,the system can also realizemultiple functions such as the real-time displaying of data,drawing the data curve,saving and printing the results,etc.Therefore,the whole system,which is very beneficial to the cultivation of students′comprehensive ability,can improve both the efficiency and the quality of the experiment,make the students better understanding the experimental process,data trends,and the real-time intelligent acquisition system.

integrated temperature sensor technology experiment;real-time acquisition;microcontroller;uppercomputer software

G 633.7

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.003

1007-2934(2015)06-0008-03

2015-07-10

哈尔滨工程大学校级实验教改项目(01651002080028)

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