一款制热功率测量仪(BTUmeter)的硬件设计

in steempress •  24 days ago

仪表要求:

btu/hr 是英制热量单位,全称是:BRITISH THERMAL UNIT/HOUR,意思是每小时的英制散热量。
其和传统的W的换算关系是:
1 BTU/HR =1055.06 焦耳

要计算散热量,就必须要测量温度,湿度,风速(风量),然后使用公式计算出btu/hr。

所以,作为硬件部分需要考虑的问题,主要就是实现温度,湿度,风速(风量)的测量。其他的一些参数,都是软件需要计算的。

仪表要求如下:
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功能模块:

硬件模块功能如下图:
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通过A/D转换读取热敏电阻和相对湿度传感器的值,然后将频率信号(温湿度传感器信号都转成频率信号)发送给单片机。系统在液晶屏上显示的相关内容符合不同的操作模式。

模块详述:

  • 传感器:

温度传感器:热敏电阻,Operation range: -40~100C
湿度传感器:电容式相对湿度传感器,Operation range: 0~100%
风速传感器:红外发射/接收对管


  • A/D 转换和滤波:

通过充分的测试,决定A/D转换电路采用7555,线路如图2,图3所示。

温度频率约为200~12kHz,湿度频率约为18~21kHz,风速频率约为0~1.6kHz。单片机读取它们使用时间捕捉功能A和时间捕捉功能B。

系统时钟源选用4MKHZ晶体高频,使代码在高频下执行,避免在中断程序中占用太长时间。

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图2:温度传感器转换线路

C19是参考电容器,用于消除由于电压或温度波动引起的频率偏移。它用于抵消转换电路的电压或温度变化。

传感器探头与主机之间采用PS/2插孔,仅6针,用于VCC、GND、f温度、f湿度、F风速、控制(RH传感器与参考电容之间的切换)和S1信号的传输,使控制与S1共用一条连接线,如图3所示。

模拟多路开关的引脚寄生电容太大(50~130pF),且不稳定,因此模拟多路开关不适合此应用。我们选择9018用于开关,9018的开关电容最大只有1.7pF。

在这个应用中,f只有20kHz,所以Cob更小。在不同温度下进行试验,9018对频率的影响<0.2%(4~20°C)。
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图3:湿度传感器转换线路

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图4:风速转换线路

在高频下,铁氧体磁珠(U5、U6、U11)电感器的工作原理类似于电阻,而不是电感器。在EMI噪声出现问题的高频段产生主要电阻的阻抗,并使用该电阻吸收噪声。

电容器(C9、C10、C11)可将噪声旁路至接地。

铁氧体磁珠和电容器都能抑制电磁干扰噪声的发射。

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图5:温湿度频率信号滤波


  • 单片机MCU:

在此应用中,单片机使用MSP430F135。当断电时,电路保持在低功率模式3(LPM3),并且只消耗平均40微安的电流。

软件会自动将一些参数(例如校准和配置信息)存储在MSP430的信息闪存中,这样在更换电池时不会丢失。


  • 按键:

meter有6个按键:power on / off,up,down,mode,enter,start - average .


  • lcd显示控制:

使用HT1621。THT1621是一个128(32 * 4)段的 LCD Driver。还可以直接用频率驱动蜂鸣器。


  • 电源:

由直流9V适配器或4节AAA电池供电。LDO S81233最大输入电压为DC16V,可直接使用。
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图6:电源供应线路

当meter处于低功耗待机模式(LPM3)时,控制传感器块电源的I/O将变高并保持高水平,以最大限度地延长电池寿命。
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图7:传感器模块电源控制线路


主要的功能实现就是以上介绍的这些硬件模块,接下来就是写程序来实现要求功能了。

别看帖子里面写一下只有这一点,不长,但是所有的功能事先都搭过线路进行过反复的验证修改,性能都是有保障的。

之所以要把温湿度信号转成频率信号后再处理,是因为温湿度测棒引线较长,和MCU之间大约有1.5米长,这么长的距离,频率信号受干扰性较小。

如有类似设计问题,欢迎大家探讨。

Posted from my blog with SteemPress : https://kissfirer.000webhostapp.com/btumeter-hw-design


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以前
上课时候
看到这些图
脑海就会空白一阵子

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我现在也想空白,可是不敢~~~

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