溫度傳感技術(shù)實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王 鋒,張曉峻

(哈爾濱工程大學(xué),黑龍江哈爾濱 150001)

溫度傳感技術(shù)實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王 鋒?,張曉峻

(哈爾濱工程大學(xué),黑龍江哈爾濱 150001)

利用單片機(jī)技術(shù),實現(xiàn)對溫度傳感技術(shù)實驗測量結(jié)果的實時采集,通過計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、實驗曲線的繪制、結(jié)果的保存及打印等多項功能。從而提高實驗的效率與質(zhì)量,讓學(xué)生更好的理解實驗過程及數(shù)據(jù)變化趨勢,同時也對實時智能采集系統(tǒng)產(chǎn)生一定的了解,對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)十分有益。

溫度傳感綜合技術(shù)實驗;實時采集;單片機(jī);上位機(jī)軟件

溫度傳感技術(shù)實驗是綜合性實驗系列中較為重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。在此實驗中通常包含的內(nèi)容有:測定負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻—溫度特性,并利用直線擬合的數(shù)據(jù)處理方法,求其材料常數(shù);了解以熱敏電阻為檢測元件的溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)的選擇原則;學(xué)習(xí)運(yùn)用線性電路和運(yùn)放電路理論分析溫度傳感器電壓—溫度特性的基本方法;學(xué)習(xí)電阻型、電壓型和電流型溫度傳感器的設(shè)計方法;了解以疊代法為基礎(chǔ)的溫度傳感器電路參數(shù)的數(shù)值計算技術(shù)。

依照現(xiàn)有實驗儀器,每位學(xué)生要在規(guī)定時間內(nèi)完成全部實驗數(shù)據(jù)的測定并記錄后,再將所測數(shù)據(jù)逐一輸入到其配套軟件中才能得到對應(yīng)實驗曲線、驗證實驗結(jié)論及分析實驗結(jié)果。這樣的實驗過程,致使學(xué)生很難在實驗進(jìn)行的過程中實時地了解到數(shù)據(jù)的整體變化趨勢,進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生即使在實驗中出現(xiàn)了問題,往往也需要在完成了所有的內(nèi)容并利用配套軟件驗證時才能發(fā)現(xiàn),非常不利于學(xué)生在實驗過程中及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤。

基于上述原因,非常有必要對現(xiàn)有溫度傳感技術(shù)實驗系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),將傳統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)處理方法與現(xiàn)代計算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合[1],實現(xiàn)實時采集測量數(shù)據(jù),并且實現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)的實時顯示、繪制曲線、保存結(jié)果及打印等功能。

1 接口電路設(shè)計

與現(xiàn)有實驗儀對接的電路接口如圖1所示。(圖中省略了一些常用的基本電路模塊,如:電源模塊、復(fù)位電路等)

圖1 接口電路

為了盡量減少新增電路對原有儀器的影響,接口電路通過由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射隨電路來獲取原有實驗儀電壓信號。同樣為了能夠使得采集結(jié)果與原有實驗儀器一致,接口電路也通過射隨電路獲取了原有儀器的參考電壓來作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓。

單片機(jī)利用接口時序?qū)/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行采集,為了能夠滿足不同實驗內(nèi)容的要求,上位計算機(jī)軟件可根據(jù)需要來設(shè)定單片機(jī)的采集頻率及多次平均方式。另外,單片機(jī)需要利用異步串口通信技術(shù)與上位計算機(jī)建立通信。盡管單片機(jī)有串行通信的功能,但單片機(jī)提供的信號電平與計算機(jī)上的串口信號電平的標(biāo)準(zhǔn)不同,因此要通過Max232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用微軟公司所發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運(yùn)行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計語言c#來編寫,通過串口與接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,學(xué)生們可以通過前臺的軟件界面方便的控制測量結(jié)果的實時采集、曲線繪制及存儲結(jié)果等功能。

軟件主要包含3個區(qū)域,分別為:實時數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)、實驗數(shù)據(jù)記錄區(qū)及記錄數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū),軟件主界面如圖2所示。

圖2 軟件主界面

實時數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)可以按照預(yù)先配置的采集頻率來實時顯示實驗數(shù)據(jù)及其曲線,經(jīng)過前端接口電路的處理可以使得軟件上所顯示的實時數(shù)據(jù)與原儀器顯示屏上所顯示的數(shù)據(jù)一致,從而使得軟件的使用者可以利用此軟件來徹底替代原儀器的顯示功能。另外,可以利用此區(qū)域中的“清空實驗數(shù)據(jù)”按鈕來重置此區(qū)域的顯示內(nèi)容。

實驗數(shù)據(jù)記錄區(qū)可以利用其中的“添加數(shù)據(jù)”按鈕來添加實驗中所需要的記錄數(shù)據(jù),同時添加的數(shù)據(jù)將自動的記錄數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)中顯示并連接成平滑曲線。另外,實驗數(shù)據(jù)記錄區(qū)中還有一個“實驗結(jié)束”按鈕,其作用是用來宣布實驗結(jié)束并利用軟件中內(nèi)置的最小二乘法來對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并生成可用來存儲或打印報告。

接口電路的采集頻率及多次平均可通過軟件的“采集參數(shù)設(shè)置”按鈕來設(shè)置,其界面如圖3所示。其中,采集頻率是指接口電路每秒采集的次數(shù),由于本實驗中溫度為緩慢變化的物理量,因此其默認(rèn)值為每秒1次;多次平均是一種比較簡單且常用的用來消除隨機(jī)信號對采集結(jié)果影響的數(shù)據(jù)處理手段,其默認(rèn)值為8次,即在所設(shè)定的采集周期內(nèi)將采集8次,然后取其平均值來作為此采集周期的采集結(jié)果。

圖3 采集參數(shù)設(shè)置界面

由于在每臺計算機(jī)所使用的串口號無法預(yù)知,因此為了使得軟件能夠適應(yīng)任何計算機(jī),軟件可以通過“通信參數(shù)設(shè)置”按鈕來設(shè)定所使用的串口號,如圖4所示。

圖4 通信參數(shù)設(shè)置界面

對于初次使用此軟件的學(xué)生,可以利用軟件上的“幫助”按鈕來打開此軟件的幫助文件。

3 實驗數(shù)據(jù)

在溫度傳感綜合技術(shù)實驗中有一部分內(nèi)容為“電壓型溫度傳感器的設(shè)計”,此部分實驗內(nèi)容為設(shè)計以PN結(jié)為熱探頭的溫度傳感器。以此部分實驗內(nèi)容為例,應(yīng)用文中所提到接口電路及相應(yīng)的上位機(jī)軟件進(jìn)行了實驗。

PN結(jié)在恒流狀態(tài)下,隨著溫度的升高,其結(jié)電壓將線性下降[2],因此溫度傳感器特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫成:

式(1)中T為測量溫度,Vs為對應(yīng)的PN結(jié)結(jié)電壓,a及Kv為溫度傳感器的線性系數(shù)。

根據(jù)理想運(yùn)算放大器輸入阻抗很高的性質(zhì)及虛地的概念,可以設(shè)計出一種測試恒流狀態(tài)下PN結(jié)結(jié)電壓隨溫度變化的電路,如圖5所示。

利用圖5所示的電路進(jìn)行實驗,可以測定式(1)中的a及Kv,實驗中軟件顯示如圖6所示。

圖5 恒流狀態(tài)測試電路

圖6 實驗中軟件顯示

實驗結(jié)果如表1所示,對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,可得:a=700,=-2.05,相關(guān)系數(shù)的平方為R2=0.999 8。

表1 “電壓型溫度傳感器的設(shè)計”實驗記錄數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

綜上所述,利用單片機(jī)技術(shù)及計算機(jī)通信技術(shù),將現(xiàn)有溫度傳感技術(shù)實驗儀進(jìn)行改進(jìn)后,可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的實時采集、同步顯示及曲線繪制,并可以方便地保存實驗結(jié)果及打印。改進(jìn)后的溫度傳感技術(shù)實驗系統(tǒng)可以幫助學(xué)生在實驗進(jìn)行的過程中實時地了解到數(shù)據(jù)的整體變化趨勢,以便及時發(fā)現(xiàn)并糾正實驗錯誤,另外,還可以幫助學(xué)生對實時智能采集系統(tǒng)產(chǎn)生一定了解,整體提高實驗效率的同時,也可以進(jìn)一步改善實驗質(zhì)量,非常有助于對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

[1] 吳衛(wèi)華,周敏.基于C#的大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗,2012,25(1):56-57.

[2] 葉樹中,王吉有,李寶勝.PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系實驗的討論[J].大學(xué)物理實驗,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

哈爾濱工程大學(xué)校級實驗教改項目(01651002080028)

?通訊聯(lián)系人