检测轨道车辆Pt100温度传感器抗温性能控制系统的制作方法

本实用新型属于电子技术领域。

背景技术：

目前，工业、农业、国防、航天和轨道交通等许多领域都离不开温度的测量，温度成为了各领域一个重要而普遍的测量参数，温度的测量和控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。在轨道交通中，主要用Pt100温度传感器检测动车组中的齿轮箱温度，从而反应齿轮的运转情况。Pt100温度传感器能够测量-200℃～+850℃，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其检测到温度的准确性和传感器本身的稳定性直接影响轨道车辆的运行情况，对乘客的人身安全有着重要的影响。因此，针对轨道车辆Pt100温度传感器进行抗温性能的测试具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是通过观察在设定极低或极高的温度条件下，Pt100温度传感器是否能正确检测到此温度，从而反映出Pt100抗温性能的检测轨道车辆Pt100温度传感器抗温性能控制系统。

本实用新型是由Pt100温度传感器和温度采集模块、主控模块、显示模块、串口模块组成；

主控模块电路采用STM32F103RBT6芯片：主控模块U1的30脚连接有S1、C1、R1组成的复位电路，BT1、D1、D2、Y1组成掉电保护电路，主控模块U1的1、2脚接R2、Y2、C2、C3组成的振荡电路，主控模块U1的4、5脚接C4、C5、L1组成的滤波电路，主控模块U1的6、7引脚与C6相连接组成去耦电路，主控模块U1的22、23引脚与C7相连接组成去耦电路，主控模块U1的20、21引脚与C8相连接组成去耦电路，主控模块U1的19、20引脚与C9相连接组成去耦电路，主控模块U1的24、27引脚与R3、R4和BOOT相连接用于选择STM32的三种不同启动方式，发光二极管LED1和LED2以及限流电阻R29、R30组成用来指示串口数据收发并连接在主控模块U1的28、29脚；

温度采集模块：温度采集电路由Pt100温度传感器和运算放大电路组成，其中运算放大电路采用低功耗集成运算放大器TL062，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大：运算放大电路连接有Pt100温度传感器、差分电容C10、C13，运算放大模块连接有U2B运算放大器，其中U2B的引脚5与分压电阻R5、R6连接，U2B的引脚6、引脚7与差分电容C11连接，同时U2B的引脚6、引脚7之间还连接有分压电阻R7、R8、R9、R10，U2B运算放大器还连接有分压电阻R13和调零电阻R14构成前级放大电路；运算放大电路连接有U2A运算放大器，其中U2A的引脚3连接有分压电阻R11、R12和差分电容C14，U2A的引脚2连接有分压电阻R14，U2A的引脚1与引脚2之间连接有差分电容C12和电阻R15，U2A的引脚1连接有电阻R16引出A/D引脚，A/D引脚与主控模块U1的引脚17相连接；

显示模块：显示模块连接有四位一体数码管，显示模块连接有三极管Q1、Q2、Q3、Q4，用于增大驱动电流来驱动四位一体数码管，四位一体数码管的a、b、c、d、e、f、g引脚分别连接有限流电阻R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，限流电阻的另一端连接到7447译码模块U3的引脚14、13、12、11、10、9、8，译码模块U3的引脚1、2、3、4分别与主控模块U1的引脚8、9、10、11相连接，上拉电阻R25、R26、R27、R28的一端分别于与三极管Q1、Q2、Q3、Q4的基极相连接，另一端分别与主控模块U1的引脚12、13、14、15相连接；

串口模块：串口模块主要由U4 MAX232芯片及其外部电路组成，串口模块连接有C15、C16、C17、C18与1、2、3、4、5、6引脚构成电荷泵电路，7、8引脚作为上位机的收发引脚与J1的2、3引脚相连接，9、10引脚作为第二数据通道分别与主控模块U1的28、29引脚相连接。

本实用新型采用Pt100温度传感器进行温度检测，测量温度范围较大，并通过控制加热器和冷却器，实现在高温或低温条件下，完成Pt100温度传感器的工作性能的检测实验。进一步而言，本实用新型提供的检测轨道车辆Pt100温度传感器抗温性能控制系统，可以检测具有同样安装孔的其它电子设备的抗温效果。

附图说明

图1是本实用新型主控模块电路图；

图2是本实用新型的温度采集模块电路图原理图；

图3是本实用新型的显示模块电路原理图；

图4是本实用新型的串口模块电路原理图。

具体实施方式

本实用新型是由Pt100温度传感器和温度采集模块、主控模块、显示模块、串口模块组成；

主控模块电路采用STM32F103RBT6芯片：主控模块U1的30脚连接有S1、C1、R1组成的复位电路，BT1、D1、D2、Y1组成掉电保护电路，主控模块U1的1、2脚接R2、Y2、C2、C3组成的振荡电路，主控模块U1的4、5脚接C4、C5、L1组成的滤波电路，主控模块U1的6、7引脚与C6相连接组成去耦电路，主控模块U1的22、23引脚与C7相连接组成去耦电路，主控模块U1的20、21引脚与C8相连接组成去耦电路，主控模块U1的19、20引脚与C9相连接组成去耦电路，主控模块U1的24、27引脚与R3、R4和BOOT相连接用于选择STM32的三种不同启动方式，发光二极管LED1和LED2以及限流电阻R29、R30组成用来指示串口数据收发并连接在主控模块U1的28、29脚；

温度采集模块：温度采集电路由Pt100温度传感器和运算放大电路组成，其中运算放大电路采用低功耗集成运算放大器TL062，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大：运算放大电路连接有Pt100温度传感器、差分电容C10、C13，运算放大模块连接有U2B运算放大器，其中U2B的引脚5与分压电阻R5、R6连接，U2B的引脚6、引脚7与差分电容C11连接，同时U2B的引脚6、引脚7之间还连接有分压电阻R7、R8、R9、R10，U2B运算放大器还连接有分压电阻R13和调零电阻R14构成前级放大电路；运算放大电路连接有U2A运算放大器，其中U2A的引脚3连接有分压电阻R11、R12和差分电容C14，U2A的引脚2连接有分压电阻R14，U2A的引脚1与引脚2之间连接有差分电容C12和电阻R15，U2A的引脚1连接有电阻R16引出A/D引脚，A/D引脚与主控模块U1的引脚17相连接；

显示模块：显示模块连接有四位一体数码管，显示模块连接有三极管Q1、Q2、Q3、Q4，用于增大驱动电流来驱动四位一体数码管，四位一体数码管的a、b、c、d、e、f、g引脚分别连接有限流电阻R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，限流电阻的另一端连接到7447译码模块U3的引脚14、13、12、11、10、9、8，译码模块U3的引脚1、2、3、4分别与主控模块U1的引脚8、9、10、11相连接，上拉电阻R25、R26、R27、R28的一端分别于与三极管Q1、Q2、Q3、Q4的基极相连接，另一端分别与主控模块U1的引脚12、13、14、15相连接；

串口模块：串口模块主要由U4 MAX232芯片及其外部电路组成，串口模块连接有C15、C16、C17、C18与1、2、3、4、5、6引脚构成电荷泵电路，7、8引脚作为上位机的收发引脚与J1的2、3引脚相连接，9、10引脚作为第二数据通道分别与主控模块U1的28、29引脚相连接。

电源模块为其它单元提供所需的电源，在不影响用电设备正常工作的前提下，选用内置AC~DC 5V电源转换模块，终端部分芯片电源要求为3.3V，所以采用集成DC5V~DC3.3V转换芯片NCP1117，为保证5V电源与3.3V之间互不影响，在NCP1117前加入5V隔离电源模块IF0505S-W75。

人机交互界面将测试指令发送给控制系统，接收到测试指令后，通过人机交互界面给系统一个设定温度，系统通过比较设定温度和当前温度的大小，进而通过串口模块发送命令给加热器或冷却器，实现在高温或低温环境下对Pt100温度传感器工作性能的检测。

本实用新型提供了一种检测轨道车辆Pt100温度传感器抗温性能的控制系统，通过Pt100温度传感器测量当前温度，经过温度采集模块后送入主控模块进行A/D转换和数据处理，再通过显示模块进行显示，同时操作人员设定一个检测温度（-200℃～+850℃），通过上位机给加热器或冷却器发出命令使其达到设定温度后，再次使用Pt100温度传感器检测温度，观察此时检测到的温度是否与设定温度相同。

本实用新型是由加热器、冷却器、Pt100温度传感器、温度采集模块、主控模块、显示模块、串口模块、电源模块和人机交互界面组成。主控模块电路包括复位电路、掉电保护电路、振荡电路、滤波电路、去耦电路、串口收发指示电路和启动方式选择电路，实现对其他模块的管理与控制；温度采集模块包括Pt100温度传感器和运算放大电路，运算放大电路使用两级放大，通过电位器可以实现调零；显示模块由八位共阳极数码管组成，用于显示Pt100温度传感器测得的温度；串口模块包括电荷泵电路和数据转换通道；主控模块分别和温度采集模块、串口模块和显示模块相连，完成温度数据采集与处理，并采用模糊PID算法控制加热器的温度，实现对温度的闭环控制。加热器是通过实际情况定做的200*300的加热板，其导线和主控制模块相连，温度传感器是经过严格实验后的合格的Pt100温度传感器，用于测量工装台温度，并反馈给主控模块。人机交互界面将测试指令发送给控制系统，接收到测试指令后，通过人机交互界面给系统一个设定温度，系统通过比较设定温度和当前温度的大小，进而通过串口模块发送命令给加热器或冷却器，实现在高温或低温环境下对Pt100温度传感器工作性能的检测。

以下结合附图对本使用新型进行详细描述：

本实用新型包括：加热器、冷却器、Pt100温度传感器、温度采集模块、主控模块、显示模块、串口模块、电源模块和人机交互界面，其中STM32F103RBT6芯片主要通过对加热器的加热和冷却器的冷却进行控制，同时控制温度采集模块和显示模块，其内部还有A/D转换电路，采集到的温度数据通过主控模块内部A/D转换对数据进行处理，最终通过显示模块显示出来以便观察。人机交互界面将测试指令发送给控制系统，接收到测试指令后，通过人机交互界面给系统一个设定温度，系统通过比较设定温度和当前温度的大小，进而通过串口模块发送命令给加热器或冷却器，实现在高温或低温环境下对Pt100温度传感器工作性能的检测。

主控模块电路主要由STM32F103RBT6芯片及其外围电路组成：如图1所示，主要包括由S1、C1、R1组成的复位电路，当S1按键按下时实现CPU复位功能；BT1、D1、D2、Y1组成掉电保护电路，在系统掉电和低功耗模式下为实时时钟供电；R2、Y2、C2、C3组成的振荡电路，为CPU提供时钟；C4、C5、L1组成的滤波电路，对芯片内部A/D转换器的供电进行去耦合和滤波；U1的6、7引脚与C6相连接组成去耦电路，U1的21、22引脚与C7相连接组成去耦电路，U1的19、20引脚与C8相连接组成去耦电路U1的17、18引脚与C9相连接组成去耦电路，主要是为去除电源噪声，提高CPU的抗干扰能力；U1的24、27引脚与R3、R4和BOOT相连接，通过STM32F103RBT6芯片的BOOT1、BOOT0引脚可以选择三种不同的启动模式；R29、R30作为限流电阻，与发光二极管LED1和LED2组成电路用来只是串口数据收发，即有数据发送时LED1亮，有数据接收时LED2亮，否则都不亮，实现将加热或冷却命令通过串口发送到加热器或冷却器，并进行相应的加热或冷却操作。

温度采集模块：如图2所示，温度采集模块主要有Pt100温度传感器和运算放大电路组成，运算放大电路采用低功耗集成运算放大器TL062，作为Pt100的前置放大电路，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大：运算放大模块连接有Pt100温度传感器，传感器的接入十分简单，+5V供电端通过R5、R6就可将Pt100温度传感器接入电路，运算放大模块连接有差分电容C10、C13，运算放大模块连接有U2B运算放大器，其中U2B的引脚5与分压电阻R5、R6连接，U2B的引脚6、引脚7与差分电容C11连接，同时U2B的引脚6、引脚7之间还连接有分压电阻R7、R8、R9、R10，U2B运算放大器还连接有分压电阻R13和调零电阻R14构成前级放大电路；运算放大模块连接有U2A运算放大器，其中U2A的引脚3连接有分压电阻R11、R12和差分电容C14，U2A的引脚2连接有分压电阻R14，U2A的引脚1与引脚2之间连接有差分电容C12和电阻R15，这种接法能够有效的稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号，常用于测量电路的输入级，U2A的引脚1通过连接电阻R16引出A/D引脚，A/D引脚与数据处理模块U1的引脚17相连接，通过STM32F103RBT6芯片内部的A/D转换器将采集的温度模拟信号转换为数字信号并进行处理。

显示模块：如图3所示，显示模块连接有四位一体数码管，显示模块连接有三极管Q1、Q2、Q3、Q4，用于增大驱动电流来驱动四位一体数码管，四位一体数码管的a、b、c、d、e、f、g引脚分别连接有限流电阻R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，限流电阻的另一端连接到7447译码模块U3的引脚14、13、12、11、10、9、8，译码模块U3的引脚1、2、3、4分别与主控模块U1的引脚8、9、10、11相连接，使用7447译码器能够节省大量的I/O口，并且功耗更低，上拉电阻R25、R26、R27、R28的一端分别于与三极管Q1、Q2、Q3、Q4的基极相连接，另一端分别与数据处理模块U1的引脚12、13、14、15相连接。

串口模块：如图4所示，串口模块主要有U4 MAX232芯片及其外部电路组成，串口模块连接有C15、C16、C17、C18与1、2、3、4、5、6引脚构成电荷泵电路，功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS232串口电平的需要，11、12、13、14引脚为第一数据通道，7、8、9、10引脚为第二数据通道，7、8引脚作为上位机的收发引脚与J1的2、3引脚相连接，实现上位机与U4之间的数据通信，9、10引脚分别与主控模块U1的28、29引脚相连接实现主控模块与U4之间的数据通信。

电源模块为其它单元提供所需的电源，在不影响用电设备正常工作的前提下，选用内置AC~DC 5V电源转换模块，终端部分芯片电源要求为3.3V，所以采用集成DC5V~DC3.3V转换芯片NCP1117，为保证5V电源与3.3V之间互不影响，在NCP1117前加入5V隔离电源模块IF0505S-W75。

人机交互界面将测试指令发送给控制系统，接收到测试指令后，通过人机交互界面给系统一个设定温度，系统通过比较设定温度和当前温度的大小，进而通过串口模块发送命令给加热器或冷却器，实现在高温或低温环境下对Pt100温度传感器工作性能的检测。

本实用新型的具体工作流程：当系统上电后，主控模块会初始化各个外围设备，然后等待上位机发出测试命令，当接收到测试命令后，系统开始对Pt100温度传感器的抗温性能进行测试。首先Pt100温度传感器通过温度采集模块检测当前温度，主控模块对温度数据进行处理后，通过显示模块将当前温度显示出来；然后上位机设定一个目标温度，通过比较当前温度与目标温度的大小来进行相应的操作：如果当前温度大于目标温度，主控模块通过串口模块给加热器发出命令进行加热操作，反之主控模块通过串口模块给冷却器发送命令进行冷却操作，由于Pt100可检测的温度范围是-200℃～+850℃，所以目标温度的设定必须在这个范围内，设定温度最好是在高温或低温条件下；当加热器或冷却器达到了设定温度后，相应的操作结束，Pt100再次测温并通过显示模块显示出来，观察经过加热或冷却操作后Pt100温度传感器是否正确检测到设定的温度，如果显示出的温度与设定温度不一致，则发出报错信息，表明此次检测的Pt100温度传感器的抗温性能不好，并结束此次测试；如果与设定温度一致，则本次测试结束，等待上位机再次发出测试命令。