温度安全检测实验装置系统设计

赵志峰，刘 杭，何雨轩

（西安石油大学 电子工程学院，西安 710065）

0 引言

由于中国经济的发展和加强教育质量的要求，对于实验的需求越来越重要。为了达到培养学生的创新意识，提高其工程综合应用能力的目标，并根据安全专业特色，研制一套温度安全检测传感实验装置。由于实验室检测要求精度高且反应迅速，而且实验装置需要不复杂适合学生操作，所以选择K 型热电偶作为本系统的温度传感器[1]。K型热电偶具有价格便宜，生产方便，性能优越，输出信号稳定，结构简单等优点，而且测温范围在0℃～1600℃之间，满足实验室液体温度检测的大多数需要。根据安全工程专业实验设计对温度检测的需求，本系统主要由控制柜、加热坩埚炉和温度检测装置构成，主要可以实现对液体温度进行检测，设定目标温度值并对液体进行加热等功能。

1 系统的总体设计

本系统设计是基于AT89C51 单片机芯片的液体温度检测系统，如图1 所示。其主要组成部分包括电源电路、按键电路、温度采集模块、AT89C51 芯片、显示模块、加热电路。温度采集模块主要由A/D 转换模块、K 型热电偶温度传感器、信号调理电路构成，主要是把液体温度通过温度传感器检测出来，并通过信号调理电路和A/D 转换模块把温度传感器传出的模拟量转化为数字量并传输到AT89C51 芯片中；按键电路主要是通过按键对目标温度值进行调节设定；电源电路主要是对系统中各个模块进行供电；AT89C51 芯片主要是对整个系统进行逻辑运算和判断，对整个系统进行控制；加热电路主要是由固态继电器和电加热器构成，主要是对被检测的液体进行加热；显示模块主要是通过LED 显示屏把实际检测温度和设定的目标温度值显示出来。

图1 温度检测系统总体设计图Fig.1 Overall design of temperature detection system

2 温度检测系统硬件设计

温度检测系统的实物装置主体部分主由加热装置和控制装置构成，加热装置主要由电热坩埚炉、不锈钢保护筒壁组成，控制装置主要由温度显示屏、控制按键、信号调理电路、指示灯组成，加热装置和控制装置之间通过电源线、信号传输线、液体输送管道进行连接。热电偶温度传感器安装在电热坩埚炉外侧，方便对检测对象进行准确检测，同时在坩埚炉与筒壁之间采用隔温材料对坩埚炉的温度进行隔绝，防止加热装置烫伤实验人员。控制装置通过信号调理电路和信号传输线跟温度传感器进行连接，温度传感器的信号通过转换之后传给单片机芯片，经过逻辑运算之后实现对检测对象的加热和温度数值的数值输出与显示。

2.1 温度检测电路设计

温度检测功能主要是通过温度传感器、A/D 转换模块和信号调理电路这些线路实现[2]。

在本测温装置的测温元件采用的是K 型热电偶传感器，其测温检测范围在0℃～700℃。在测温过程中，传感器产生电压最大只达到29mV，这就远远小于A/D 转换模块的输入电压，所以需要通过调理电路把传感器产生的微弱电动势进行放大[3]。信号调理这部分的电路主要分成两个部分：第一部分采用AD595 芯片对电压的数量级进行放大，第二部分通过OP07 芯片[4]把电压调至A/D 模块需求电压的范围之内，温度检测电路如图2 所示。

图2 温度检测电路图Fig.2 Temperature detection circuit diagram

液体温度所检测的温度范围要求为0℃～700℃，考虑到温度检测精度和装置制作成本等原因，A/D 模块类型考虑采用串行式，所以最后采用MAX1241 芯片来转换信号。

2.2 加热电路的设计

加热电路主要由加热器、继电器和其它相关电路构成，考虑到电阻式加热器稳定、简单且易实现，符合实验室液体加热的所有要求，所以加热器选用电阻式加热器。加热器由承装液体的坩埚容器和加热电阻丝组成，电阻丝在坩埚容器的底部铺有两层，呈圆环形状。这样有利于对坩埚内的液体均匀加热。继电器主要是用来控制加热器对液体加热的启停，在温度数值比设定数值小时，继电器会传出高电压，此时加热电路会被连通，开始对液体进行加热；当温度数值不比设定数值小时，继电器输出低压电平，这个时候加热电路不导通，加热电路不工作。

2.3 显示与按键系统的设计

系统的显示电路主要是通过共阳极数码管和相关电路实现的，主要作用是把被测液体的温度值及时传递给实验人员，通过数码显示屏把检测温度值和设定温度显示出来，方便实验人员能实时对液体温度进行监测，能够防止出现装置内温度加热过高而出现危险情况[5]。

在系统中按键的作用主要是改变被测液体的加热温度值，就是通过设立两个按键实现被测液体温度值改变。这两个按键分别是对温度数值进行加和减操作，这样就可以通过改变温度数值来加热被测液体，观察和检测不同温度下液体的性质。

2.4 电源电路设计

电源电路设计主要是为了解决系统中各种元器件所需电压不同的问题。本实验装置各级电路主要需要+5V、+15V、-15V 的电平[6]。+5V 分别是给单片机芯片、显示电路、继电器、A/D 转换电路供电，+15V 主要是给调理电路供电，-15V 是用来给OP07 芯片提供能量[7]。

3 温度检测系统软件设计

温度检测系统软件设计的程序框图如图3 所示。首先要对系统进行初始化和对按键进行设置[8]，当这些完成之后执行温度采集功能和液体加热功能，同时显示设定温度和被测液体实际温度，再把两个温度进行对比。如果实际温度值小于目标温度时，系统持续加热直到实际温度值等于目标温度值时，停止加热[9]。

图3 主程序流程图Fig.3 Main program flowchart

4 系统仿真与装置实物

4.1 系统仿真

系统仿真通过protues 软件进行。整个系统的元器件连接和电路搭建都在其中完成，整个系统的逻辑控制和功能实现都通过keil 编写程序实现，然后系统的控制程序通过keil 软件进行编写，最后导入到protues 中进行仿真。为了方便仿真，在软件仿真过程中把数码管简化到了一个，在屏幕中前3 位是实验人员通过按键进行设定的目标温度值，后面3 位显示传感器检测出液体温度值。图4 和图5 分别表示目标加热温度为50℃和实际检测到液体温度为34℃的情况。

图4 目标温度值50℃Fig.4 Target temperature value 50℃

图5 实际温度34℃Fig.5 Actual temperature 34℃

4.2 温度检测装置实物展示

图6为液体温度检测装置的实物图，在完成仿真确定方案可行之后，将温度检测装置制作出来。其主要有两部分控制柜和加热炉，通过加热炉对液体进行加热，通过控制柜可以对加热目标温度进行控制和显示检测到液体的实际温度，并通过液体温度检测装置进行简易的实验。由于液体危险化学品获取麻烦而且实验中会具有一定的危险性，所以将水作为被测对象。在图6 中可知水刚开始的温度是21℃，通过一段时间的加热之后，达到了37.5℃。

图6 温度检测系统实物图Fig.6 Physical diagram of temperature detection system

5 结论

本次温度检测装置主要以AT89C51 单片机为主控核心，结合K 型热电偶温度传感器设计了温度检测电路，采用继电器控制电阻式加热器启停的方式来对液体进行加热，使用液晶显示屏对系统中的温度数值进行显示，使用按键对液体的目标温度进行设定。电源电路主要是对系统内部各个元器件进行不同电压等级的供电，通过在proteus 软件上对系统的硬件电路进行搭建和在keil 软件上对系统的控制程序进行编写[10]，并进行仿真检验系统软硬件方案是否可行，最后制作出温度检测装置的实物。在实际中，用水作为检测对象进行实验，实验表明该装置操作简单，检测精确，能完美适应实验室对于液体温度检测的需求。