温度采集系统.docx
温度采集系统电子仪器设计 专班 姓学 业：测控技术与仪器 级：03061405 名：范欣 号：04 1 花木温室的温度采集系统设计 1、方案思路: 系统采集可以采用多路采集也可以采用单通道数据采集。多路采集需要的传感器或A/D转换器的个数较多从价格方面考虑比较昂贵。本系统由温度采集系统、8051单片机、 显示存储单元和时序控制单元组成。传感器不断的对温度进行转换电量操作，而A/D转换电路采取适时的采集转换一个温度传感器接一个放大电路A/D转换电路，这样一方面简化了大量测量放大电路，节省了资金，缩小了成品电路的体积，提高产品的测量精度，且通过放大器与A/D的校准，可完成对整个测量控制板的校准，提高产品可调性，完成系统性能，缩短了产品研制财期。系统框图如下图1所示。 温 度采集电路 单片机 存储单元电路 显示电路单元 时序控制单元 图1 系统硬件的整体框图 2、温度采集电路的设计与分析 2.1传感器的选择： 目前最常用的传感器有热电偶，热繁电阻，热电阻，半导体集成温度传感器，热辐射高温传感谢器，光导纤维温度传感谢器等。 热电偶常用于高温检测，测温时容易引入误差需要温度补偿 热电阻传感器，电阻值随温度增加，最常见的构成材料是铂，镍或铜，其线性度好，但价格较高，阻值小，连入测量电路中须考虑引线电阻的影响。 热敏电阻由钴，锰等金属的氧化物以不同的配方高温烧结而成，包括正温度系数热敏电阻，负温度系数热敏电阻和在其某一特定温度下是阻值会发生突变的临界温度电阻器，在温度测量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC应用较多。热敏电阻随温度变化而迅速变化，即灵敏度高，温度变化1度阻值变化3%-6%，且阻值较大适合测量微弱温度变化，但非线性严重，使用时需进行2 线性化处理。 其它像热辐射与光纤传感器主要用于高温测量且成本高。 则本系统需要的传感器数量大，考虑到成本等多种因素，选用NTC型热敏电阻较为合适 2.2 温度电路设计 2.2.1温度电压转换电路由不平衡电轿实现，放大电器采用LF347四运放芯片，构成差分放大电路，将电桥输出电压转换为对地电压，其实现整体电路如下图3，电桥中的电位器用于调平电桥。 2.2.2测温元件的温度特性分析与线性化处理 热敏电阻的阻值与温度的关系可用以下公式表示： 可见aT是随温度的降低迅速增大，因此适用于本系统中测量相对较低温度。 式中，Rt =R0 exp B 热敏电阻的线性化方法有很多种，分为硬件线性化方法和软件线性化方法。硬件线性化方法采用串并联电阻的方法对热敏电阻进行线性化，软件线性化方法可采用查表法读取温度值。串并联电阻可在某一温度区间获得较好的线性化效果。 以串联电路为例，由图2可列出串联电路分压的电路方程： 3 图2串联电路与并联电路 归一化处理，令 并联电路经推导得出的电阻值表达式与式相同。由上式得到的并联电阻值与热敏电阻并联，得到的并联电阻值，从阻值与温度曲线可看出，在常用温度测量区间左右，热敏电阻的阻值的线性化程度有了明显的改善. 只采用硬件的处理并不能较为理想地解决线性化的问题，必须采用软件方法进行线性化补偿校正，并联电阻后使曲线较为平坦，但相邻温度之间的电阻差值变小，再连入电桥后相邻温度之间的电压差值变小，从而会影响测量温度的分辨率。因此，直接将热敏电阻连入电桥中，平衡温度为25，将热敏电阻放入恒温浴槽中，改变温度值测定电压值，多次测量选择较为理想的数据。在常用温度范围内，温度与电压之间的线性关系较好，相邻温度之间电压差值为40mv左右。处理数据可采用多项式拟合的方法，得出温度与电压之间的函数关系式。本系统采用查表的方法，在测量范围内，以1为间隔，将所测量的数据列表存储在ROM中。若测量温度在两个电压数据之间，则采用逐次插值的方法，先计算相邻两点之间的斜率，再根据两点之间的直线方程计算温度值，由公 4 式8得出， 2.3 A/D转换部分显示器件和存储设备选择 A/D转换芯片选用MAX1241， 它是12位逐次逼近型串行输出的A/D转换器。其最大线性误差小于1LSB，转换时间为9微秒，采用三线式串行接口，内置快速采样保持电路。该芯片具有引脚少体积小的特点，接口所需的I/O位数也比较少，对于提高仪器的集成度和减少体积是有利的。 由于输出显示时需用到汉字，例如“XX号的温度是XX.X”, 显示器采用字符型液晶显示模块。液晶显示模块在各类测量及控制仪表中由于其功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点而被广泛的应用。其中字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。以 HD44780(HITACHI) 为主控制驱动电路及其扩展驱动电路HD44100 的液晶显示模块是以若干个5 ×8 或5 ×11 点阵块组成的字符块集。该字符块集中的每一个字符块为一个字符位, 字符间的点距和行距均为一个点的宽度。它的内部具有字符发生器ROM 以及可显示192 种字符和64 个字节的自定义字符 RAM, 因而可自定义8 个5 ×8 点阵字符或4 个5 × 11 点阵字符。而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性,并能直接与单片机接口。另外,它还具有专用指令,可方便地实现各种不同的操作。 8051单片机内有程序存储器4KB加128B的数据存储器。温度信号包括数据2字节，通道号1字节，月、日、时、分数据4字节，每天10分钟采集一次，24小时总共6*24=144次，24小时共需要存储量大于128B。所以需加一存储器。本设计中使用串行EEPROM24C01。串行EEPROM24C01的SCL时为串行时钟端，SDA为串行数据/地址端。SCL与SDX都是，双向传输线，由于是漏极开路需接上上拉电阻至VCC，WP为保护端接高电平为只读，接低电平是存储器可读可写。本设计图中接低电平，芯片只需单电源供电。VCC电压范围为1.8到5.5V. A0、A1、A2为片选或块选引脚可将A0、A1、A2接VCC或地形成片选地址。 3、单元电路设计 3.1温度测量电路(包括非电量部分转换成电量部分和放大信号部分设计) 5 图3 温度测量电路 3.2 时钟控制 时钟控制部分先采用软件部分实现，即产生周期为10分钟的脉冲计数。之后连入计时器8253实现24小时的控制。编程如下： 3.2.1 用单片机内置定时器T0实现10分钟的时钟(即10分钟系统进行采集测温一次)实现软件编程部分: ORG 0000H MX BIT P1.7 CLOCK DATA 30H LMP MAIN ;跳到主程序 ORG 000BH ;T0中断入口地址 LJMP T0_INT ;转向中断服务程序 ORG 0100H MAIN: MOV TMOD , #01H ;置T0工作方式为1 MOV TH0, #08DH ;装入指针 MOV TL0, #0F0H SETB ET0 ;T0断开 SETB EA ;CPU开中断 SETB TR0 ;启动T0 STMP $ ;等待中断 T0_INT : PUSH ACC ; 现场保护 PUSH PSW CLR TR1 MOV TH0, #0D8H ;重新装入初值 MOV TL0, #0B0H SETB TR1 6 INC CLOCK ;软时钟加1 MOV A, CLOCK CJNE A, #7B70H TMPL TMPL: JC RETURN ;不到10分钟返回 CPL MX ;到10分钟P1.7取反 MOV CLOCK , #0H ;软时钟清零 RETURN: POP PSW POP ACC RETI END 3.2.2 8253实现计数24小时内测温次数144编程部分: LMP MAIN ;跳到主程序 ORG 0013H ;外部中断1入口地址 LJMP MN ;转向中断服务程序 MAIN: SETB EX1 ;外部中断 SETB EA ;CPU开中断 SETB TR0 ;启动T0 STMP $ ;等待中断 MN: MOV R0, #010H ;写控制字 MOV ACC, #043H MOV ACC, R0 MOV 1A, #040H MOV ACC, #090H ;计数器0的计数初值 MOV A, ACC SETB RETI END 3.3 系统硬件电路图: 4、小结: 系统在实现数据采集转换过程中基本能能满足系统要求,性能方面个人认为还比较好能达到技术要求。 7 路电现实体整统系 3图 8
