【正文】 ： 三極管驅(qū)動的蜂鳴音報警第二章 方案的比較和論證當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務(wù)；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。2. 1 溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按 IEC 標準測溫范圍200～650℃，百度電阻比 W（100）= 時，R0 為 100Ω 和 10Ω，其允許的測量誤差 A 級為177。（℃+ |t| ） ，B 級為177。（℃ + |t|） 。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于50～180℃測溫。 方案二：采用 AD590，它的測溫范圍在55℃～+150℃之間，而且精度高。M檔在測溫范圍內(nèi)非線形誤差為177。℃。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590 的測量信號可遠傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 2. 2 濕度傳感器的選擇測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。方案一：采用 HOS201 濕敏傳感器。HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～1KHZ，測量濕度范圍為 0～100%RH，工作溫度范圍為 0～50℃，阻抗在 75%RH（25℃）時為 1MΩ。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。方案二：采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器。HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在 1%100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃。可見精度是較高的。綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計系統(tǒng)中對溫度30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計的濕度傳感器。2. 3 信號采集通道的選擇 在本設(shè)計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為 8 路的模擬信號，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為：（1） 可以根據(jù)各輸入量測量的餓要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以作得較低。（2） 硬件復(fù)雜，故障率高。（3） 軟件簡單，各通道可以獨立編程。方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為：（1） 對 ADC、S/H 要求高。（2） 處理速度慢。（3） 硬件簡單，成本低。（4） 軟件比較復(fù)雜。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路采樣 /保持器采樣 /保持器采樣 /保持器A / D 轉(zhuǎn)換器A / D 轉(zhuǎn)換器A / D 轉(zhuǎn)換器接口接口接口C P U圖 21 多路并行模擬量輸入通道信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路采樣 /保持器A / D 轉(zhuǎn)換器接口C P U多路切換器圖 22 多路分時的模擬量輸入通道第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計本設(shè)計是基于單片機對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和 A/D 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計了以 8031 基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。A D 5 9 0溫度檢測C D4 0 5 1多路開關(guān)H S 1 1 0 0濕度檢測 M C 1 4 4 3 3A / D 轉(zhuǎn)換單片機串行口L E D 顯示報警電路C D4 0 5 1多路開關(guān) 圖31 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。 （一） 信號采集 由 AD590、HS1100 及多路開關(guān) CD4051 組成； （二） 信號分析 由 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC1443單片機 8031 基本系統(tǒng)組成； （三） 信號處理 由串行口 LED 顯示器和報警系統(tǒng)等組成。3．1 信號采集3．1．1 溫度傳感器集成溫度傳感器 AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。 一．主要特性AD590 是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋，AD590 的后綴以 I，J，K，L，M 表示。AD590L，AD590M 一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖 32 所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1 腳為電源正端 V＋；2 腳為電流輸出端 I0； 3 腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖 32 所示。圖 32 AD590 外形（圖 1）及電路符號（圖 2）流過器件的電流（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：I T/T=1μA /K式中：I T—— 流過器件（AD590）的電流，單位 μA 。T——熱力學(xué)溫度，單位 K。 AD590 的測溫范圍55℃ +150℃。 AD590 的電源電壓范圍為 4V30V。電源電壓可在 4V6V 范圍變化，電流IT變化 1μA，相當于溫度變化 1K。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會損壞。輸出電阻為 710MΩ。精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五檔，其中 M 檔精度最高，在55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線形誤差177?！妗? AD590 的工作原理　　在被測溫度一定時，AD590 相當于一個恒流源，把它和 5～30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個 1kΩ 的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mV／K 的電壓信號。其基本電路如圖 33 所示。圖 33 AD590 內(nèi)部核心電路　　圖 33 是利用 ΔU BE特性的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 TT2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等；TT4 是感溫用的晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實質(zhì)上是由 n 個晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍。T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3和 UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R 上，所以 R 上端電壓為 ΔU BE。因此，電流 I1 為： I1＝ΔU BE／R＝（KT／q） （lnn）／R　　對于 AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T 成正比，將此電流引至負載電阻 RL上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 3 中的電阻 R 是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到 1μA／K 的 I 值。圖 34 AD590 內(nèi)部電路　　圖 34 所示是 AD590 的內(nèi)部電路，圖中的 T1～T4 相當于圖 33 中的 TT2，而 T9，T11 相當于圖 33 中的 TT4。RR6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào)整之用。TT8，T10 為對稱的 Wilson 電路，用來提高阻抗。TT12和 T10 為啟動電路，其中 T5 為恒定偏置二極管?！　6 可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1，R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。T1～T4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計的連接防式。而C1 和 R4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計使得 T9，T10，T11 三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個電路總電流 I 的 1／3。T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積比為 8：1，T10和 T11 的發(fā)射結(jié)面積相等?！　9 和 T11 的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫出： ΔU BE＝（R 6－2 R 5）I／3　　R6 上只有 T9 的發(fā)射極電流，而 R5 上除了來自 T10 的發(fā)射極電流外，還有來自T11 的發(fā)射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5 的 2／3。　　根據(jù)上式不難看出，要想改變 ΔU BE，可以在調(diào)整 R5 后再調(diào)整 R6，而增大 R5的效果和減小 R6 是一樣的，其結(jié)果都會使 ΔU BE減小，不過，改變 R5 對 ΔU BE的影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正 R5 以進行粗調(diào)，修正 R6 以實現(xiàn)細調(diào)，最終使其在 250℃之下使總電流 I 達到 1μA／K。二． 基本應(yīng)用電路圖 38 是 AD590 用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因為流過 AD590 的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當電阻 R1和電位器 R2的電阻之和為 1kΩ 時，輸出電壓 V0隨溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對電路進行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把 AD590 放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2，使V0=+25=（mV） 。但這樣調(diào)整只保證在 0℃或 25℃附近有較高的精度。 圖 35 　AD590 應(yīng)用電路三． 攝氏溫度測量電路如圖 35 所示，電位器 R2用于調(diào)整零點，R 4用于調(diào)整運放 LF355 的增益。調(diào)整方法如下：在 0℃時調(diào)整 R2，使輸出 V0=0，然后在 100℃時調(diào)整 R4使 V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至 0℃時，V 0=0mV，10