溫度采集系統(tǒng)

電子儀器設(shè)計(jì)專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：03061405學(xué)號：04花木溫室的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、方案思路：系統(tǒng)采集可以采用多路采集也可以采用單通道數(shù)據(jù)采集。多路采集需要的傳感器或A/D轉(zhuǎn)換器的個(gè)數(shù)較多從價(jià)格方面考慮比較昂貴。本系統(tǒng)由溫度采集系統(tǒng)（溫度傳感器、放大電路、和A/D轉(zhuǎn)換電路）、8051單片機(jī)、顯示存儲單元和時(shí)序控制單元組成。傳感器不斷的對溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換電量操作，而A/D轉(zhuǎn)換電路采取適時(shí)的采集轉(zhuǎn)換（即有時(shí)鐘控制它的選通）一個(gè)溫度傳感器接一個(gè)放大電路A/D轉(zhuǎn)換電路，這樣一方面簡化了大量測量放大電路，節(jié)省了資金，縮小了成品電路的體積，提高產(chǎn)品的測量精度，且通過放大器與A/D的校準(zhǔn)，可完成對整個(gè)測量控制板的校準(zhǔn)，提高產(chǎn)品可調(diào)性，完成系統(tǒng)性能，縮短了產(chǎn)品研制財(cái)期。系統(tǒng)框圖如下圖1所示。圖1系統(tǒng)硬件的整體框圖2、溫度采集電路的設(shè)計(jì)與分析2.1傳感器的選擇：目前最常用的傳感器有熱電偶，熱繁電阻，熱電阻，半導(dǎo)體集成溫度傳感器，熱輻射高溫傳感謝器，光導(dǎo)纖維溫度傳感謝器等。熱電偶常用于高溫檢測，測溫時(shí)容易引入誤差（冷端誤差）需要溫度補(bǔ)償熱電阻傳感器，電阻值隨溫度增加，最常見的構(gòu)成材料是伯，鎳或銅，其線性度好，但價(jià)格較高，阻值小，連入測量電路中須考慮引線電阻的影響。熱敏電阻由鉆，錳等金屬的氧化物以不同的配方高溫?zé)Y(jié)而成，包括正溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR），負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和在其某一特定溫度下是阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CRT），在溫度測量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC應(yīng)用較多。熱敏電阻隨溫度變化而迅速變化，即靈敏度高，溫度變化1度阻值變化3%-6%，且阻值較大（十幾歐的引線電阻對測量結(jié)果影響較小可忽略）適合測量微弱溫度變化，但非線性嚴(yán)重，使用時(shí)需進(jìn)行線性化處理。其它像熱輻射與光纖傳感器主要用于高溫測量且成本高。則本系統(tǒng)需要的傳感器數(shù)量大，考慮到成本等多種因素，選用NTC型熱敏電阻較為合適2.2溫度電路設(shè)計(jì)2.2.1溫度電壓轉(zhuǎn)換電路由不平衡電轎實(shí)現(xiàn)，放大電器采用LF347四運(yùn)放芯片，構(gòu)成差分放大電路，將電橋輸出電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓，其實(shí)現(xiàn)整體電路如下圖3，電橋中的電位器用于調(diào)平電橋。2.2.2測溫元件的溫度特性分析與線性化處理熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系可用以下公式表示：可見aT是隨溫度的降低迅速增大，因此適用于本系統(tǒng)中測量相對較低溫度。式中，Rt=R0expB(I)-1Rr=玦expB(I)-1中，Ry溫度為T時(shí)的熱敏電阻阻值；為一一溫度為玲時(shí)的熱敏電阻阻值，一中，Ry般常取鬲為B——熱歌電阻常數(shù)'B值可表示為￡=1366血冬「其中R20和^100R1叫為班匚和10Q.1C.時(shí)的電阻值-+J定義熟敏電阻的溫度系數(shù): 1『&dTT2熱敏電阻的線性化方法有很多種，分為硬件線性化方法和軟件線性化方法。硬件線性化方法采用串并聯(lián)電阻的方法對熱敏電阻進(jìn)行線性化，軟件線性化方法可采用查表法讀取溫度值。串并聯(lián)電阻可在某一溫度區(qū)間（如0°C?50°C）獲得較好的線性化效果。以串聯(lián)電路為例，由圖2可列出串聯(lián)電路分壓的電路方程：R'Xi(3)

圖2串聯(lián)電路與并聯(lián)電路歸一化處理，令歸一化處理，令rix'=—.hx-=—,貝hI」LVPk'X'= (4)(4)根據(jù)測童溫度的范圍，可以選擇二平衡點(diǎn)一般將平衡點(diǎn)選在輸人范圍的中點(diǎn)（.卷月），可以萩得最大線性范圍的輸出《_線性化的條件是平衡點(diǎn)就上的二階導(dǎo)數(shù)為零，同時(shí)恕略頊以jrn。由此可得線性化條件：+汩旬『TOC\o"1-5"\h\zr'r1= 一1 （51」產(chǎn).而12依?而.■&（而） m\o"CurrentDocument"由式（1）、⑹可得 表］=反|奏，靠*■ （7鬲并聯(lián)電路經(jīng)推導(dǎo)得出的電阻值表達(dá)式與（7）式相同。由上式得到的并聯(lián)電阻值與熱敏電阻并聯(lián)，得到的并聯(lián)電阻值，從阻值與溫度曲線可看出，在常用溫度測量區(qū)間（0°C?50°C）左右，熱敏電阻的阻值的線性化程度有了明顯的改善.只采用硬件的處理并不能較為理想地解決線性化的問題，必須采用軟件方法進(jìn)行線性化補(bǔ)償校正，并聯(lián)電阻后使曲線較為平坦，但相鄰溫度（1C）之間的電阻差值變小，再連入電橋后相鄰溫度之間的電壓差值變小，從而會影響測量溫度的分辨率。因此，直接將熱敏電阻連入電橋中，平衡溫度為25C（電阻10KQ），將熱敏電阻放入恒溫浴槽中，改變溫度值測定電壓值，多次測量選擇較為理想的數(shù)據(jù)。在常用溫度范圍內(nèi)（0C?40C），溫度與電壓之間的線性關(guān)系較好，相鄰溫度（1C）之間電壓差值為40mv左右。處理數(shù)據(jù)可采用多項(xiàng)式擬合的方法，得出溫度與電壓之間的函數(shù)關(guān)系式。本系統(tǒng)采用查表的方法，在測量范圍內(nèi)，以1C為間隔，將所測量的數(shù)據(jù)列表存儲在ROM中。若測量溫度在兩個(gè)電壓數(shù)據(jù)之間，則采用逐次插值的方法，先計(jì)算相鄰兩點(diǎn)之間的斜率，再根據(jù)兩點(diǎn)之間的直線方程計(jì)算溫度值，由公式8得出，T=7["—Ui‘與一勾(8)2.3A/D轉(zhuǎn)換部分顯示器件和存儲設(shè)備選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片選用MAX1241,它是12位逐次逼近型串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。其最大線性誤差小于1LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間為9微秒，采用三線式串行接口，內(nèi)置快速采樣保持電路。該芯片具有引腳少體積小的特點(diǎn)，接口所需的I/O位數(shù)也比較少，對于提高儀器的集成度和減少體積是有利的。由于輸出顯示時(shí)需用到漢字，例如“XX號的溫度是XX.X”，顯示器采用字符型液晶顯示模塊。液晶顯示模塊在各類測量及控制儀表中由于其功耗低、壽命長、價(jià)格低、接口控制方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。其中字符型液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。以HD44780(HITACHI)為主控制驅(qū)動電路及其擴(kuò)展驅(qū)動電路HD44100的液晶顯示模塊是以若干個(gè)5X8或5X11點(diǎn)陣塊組成的字符塊集。該字符塊集中的每一個(gè)字符塊為一個(gè)字符位，字符間的點(diǎn)距和行距均為一個(gè)點(diǎn)的寬度。它的內(nèi)部具有字符發(fā)生器ROM以及可顯示192種字符和64個(gè)字節(jié)的自定義字符RAM,因而可自定義8個(gè)5X8點(diǎn)陣字符或4個(gè)5x11點(diǎn)陣字符。而且模塊的接口信號和操作指令具有廣泛的兼容性，并能直接與單片機(jī)接口。另外，它還具有專用指令，可方便地實(shí)現(xiàn)各種不同的操作。8051單片機(jī)內(nèi)有程序存儲器4KB加128B的數(shù)據(jù)存儲器。溫度信號包括數(shù)據(jù)2字節(jié)，通道號1字節(jié)，月、日、時(shí)、分?jǐn)?shù)據(jù)4字節(jié)，每天10分鐘采集一次，24小時(shí)總共6*24=144次，24小時(shí)共需要存儲量大于128B。所以需加一存儲器。本設(shè)計(jì)中使用串行EEPROM24C01。串行EEPROM24C01的SCL時(shí)為串行時(shí)鐘端，SDA為串行數(shù)據(jù)/地址端。SCL與SDX都是，雙向傳輸線，由于是漏極開路需接上上拉電阻至VCC，WP為保護(hù)端接高電平為只讀，接低電平是存儲器可讀可寫。本設(shè)計(jì)圖中接低電平，芯片只需單電源供電°VCC電壓范圍為1.8到5.5V.A0、A1、A2為片選或塊選引腳可將A0、A1、A2接VCC或地形成片選地址。3、單元電路設(shè)計(jì)3.1溫度測量電路(包括非電量部分轉(zhuǎn)換成電量部分和放大信號部分設(shè)計(jì))

圖3溫度測量電路3.2時(shí)鐘控制時(shí)鐘控制部分先采用軟件部分實(shí)現(xiàn)，即產(chǎn)生周期為10分鐘的脈沖計(jì)數(shù)。之后連入計(jì)時(shí)器8253實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的控制。編程如下：3.2.1用單片機(jī)內(nèi)置定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)10分鐘的時(shí)鐘（即10分鐘系統(tǒng)進(jìn)行采集測溫一次）實(shí)現(xiàn)軟件編程部分：ORG0000HMXBIT P1.7CLOCKDATA30HLMPMAIN ;跳到主程序ORG000BH ;T0中斷入口地址LJMPT0_INT ;轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序ORG0100HMAIN: MOVTMOD,#01H ;置T0工作方式為1MOVTH0,#08DH ;裝入指#MOVTL0,#0F0HSETBET0 ;T0斷開SETBEA ;CPU開中斷SETBTR0 ;啟動T0STMP$ ;等待中斷T0_INT:PUSHACC ;現(xiàn)場保護(hù)PUSHPSWCLRTR1MOVTH0,#0D8H ;重新裝入初值MOVTL0,#0B0HSETBTR1

INCMOVCJNECLOCK;軟時(shí)鐘加1A,A,CLOCK#7B70HTMPLTMPL: JCCPLMOVRETURN:POPPOPRETIENDRETURNMXCLOCK,#0HPSWACC;不到10分鐘返回;到10分鐘P1.7取反;軟時(shí)鐘清零3.2.2 8253實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)24小時(shí)內(nèi)測溫次數(shù)144編程部分：LMP MAIN ;跳到主程序ORG 0013H ;外部中斷1入口地址LJMP MN ;轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序MAIN: SETBEX1 ；外部中斷SETB EA ;CPU開中斷SETB TR0