【正文】 多點溫度測量系統(tǒng)項目設計方案 課題背景 在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎%80的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。 溫度對于工業(yè)如此重要，由此推進了溫度傳感器的發(fā)展。傳感器主要大體經(jīng)過了三個發(fā)展階段：模擬集成溫度傳感器。該傳感器是采用硅半導體集成工藝制成，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。此種傳感器具有功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD59TMP1LM135等；模擬集成溫度控制器。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM5AD22105和MAX6509。某些增強型集成溫度控制器(例如TC652/653)中還包含了A/D轉換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別；智能溫度傳感器。能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。溫度傳感器的發(fā)展趨勢。進入21世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 傳感器在溫度測控系統(tǒng)中的應用。目前市場主要存在單點和多點兩種溫度測量儀表。對于單點溫測儀表，主要采用傳統(tǒng)的模擬集成溫度傳感器，其中又以熱電阻、熱電偶等傳感器的測量精度高，測量范圍大，而得到了普遍的應用。此種產(chǎn)品測溫范圍大都在200℃~800℃之間，分辨率12位，~。自帶LED顯示模塊，顯示4位到16位不等。有的儀表還具有存儲功能，可存儲幾百到幾千組數(shù)據(jù)。該類儀表可很好的滿足單個用戶單點測量的需要。多點溫度測量儀表，相對與單點的測量精度有一定的差距，雖然實現(xiàn)了多路溫度的測控，但價格昂貴。 針對目前市場的現(xiàn)狀，本課題提出了一種可滿足要求、可擴展的并且性價比高的單片機多路測溫系統(tǒng)。隨著科學技術的不斷進步與發(fā)展，溫度控制在工業(yè)控制、電子測溫計、醫(yī)療儀器、家用電器等各種溫度控制系統(tǒng)中廣泛應用，且由過去的單點測量向多測量發(fā)展。目前溫度傳感器有模擬和數(shù)字兩類傳感器，為了克服模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調理電路和A／D轉換器的弊端，大多數(shù)多點測溫控制系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器，并大大方便了系統(tǒng)的設計。比較有代表性的數(shù)字溫度傳感器有DS18BMAX657DS172MAX663SMT16030等。在傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)設計中，往往采用模擬技術進行設計，這樣就不可避免地遇到諸如引線誤差補償、多點測量中的切換誤差和信號調理電路的誤差等問題；而其中某一環(huán)節(jié)處理不當，就可能造成整個系統(tǒng)性能的下降。隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路設計技術的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。美國Dallas半導體公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有獨特的單總線接口，僅需要占用一個通用I/0端口即可完成與微處理器的通信；在10～+85℃ 溫度范圍內具有0．5℃ 精度；用戶可編程設定9～12位的分辨率。以上特性使得DS18B20非常適用于構建高精度、多點溫度測量系統(tǒng)。本課題主要是實現(xiàn)對溫度進行多點同時測量并準確顯示。整個系統(tǒng)由單片機控制，要能夠接收傳感器的數(shù)據(jù)并顯示出來，可以從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)命令，選擇對應的傳感器，并由驅動電路驅動溫度顯示。設計一種合理、可行的單片機監(jiān)控軟件，完成多點測量和顯示的任務，并編寫硬件底層驅動程序。利用一個單片機設計一個能夠進行多點溫度進行同時測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠同時對多個點的溫度進行測量和進行顯示，并且能夠對異常情況進行報警。41重慶工學院畢業(yè)論文 方案論證比較與選擇第二章 方案論證比較與選擇 引言溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。對于控制系統(tǒng)可以采用計算機、單片機等。 設計方案一采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線形元件，實現(xiàn)多點溫度的測量及顯示，該方案設計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測量誤差大。 設計方案二本方案采用AT89C51單片機為核心，通過溫度傳感器AD590采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到A/D轉換芯片，最終經(jīng)單片機檢測處理溫度信號。 方案二的框圖，采用該方案技術已經(jīng)成熟，AD轉換電路設計較煩瑣，而且使用AD590進行溫度檢測必須對冷端進行補償，以減小誤差。 設計方案三本設計運用主從分布式思想，由一臺上位機（PC微型計算機），下位機（單片機）多點溫度數(shù)據(jù)采集，組成兩級分布式多點溫度測量的巡回檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 RS232串行通訊標準，通過上位機（PC）控制下位機（單片機）進行現(xiàn)場溫度采集。溫度值既可以送回主控PC進行數(shù)據(jù)處理，由顯示器顯示。也可以由下位機單獨工作，實時顯示當前各點的溫度值，對各點進行控制。 下位機采用的是單片機基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的系統(tǒng)。DS18B20利用單總線的特點可以方便的實現(xiàn)多點溫度的測量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡，系統(tǒng)的抗干擾性好、設計靈活、方便，而且適合于在惡劣的環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量。本系統(tǒng)可以應用在大型工業(yè)及民用常溫多點監(jiān)測場合。如糧食倉儲系統(tǒng)、樓宇自動化系統(tǒng)、溫控制程生產(chǎn)線之溫度影像檢測、醫(yī)療與健診的溫度測試、空調系統(tǒng)的溫度檢測、石化、機械…等。系統(tǒng)框圖如下： 圖2 .2 方案三的系統(tǒng)框圖 方案的比較與選擇基于數(shù)字式溫度計DS18B20的溫度測量儀的硬軟件開發(fā)過程，DS18B20將溫度信號直接轉換為數(shù)字信號，實現(xiàn)了與單片機的直接接口，從而省去了信號調理電路。該儀器電路簡單、功能可靠、測量效率高，很好地彌補了傳統(tǒng)溫度測量方法的不足。相對與方案1，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。相對與方案2，硬件電路簡單，易于操作，具有更高的性價比，更大的市場。所以我采用方案3完成本設計。 方案的闡述與論證 方案三以DS18B20為傳感器、AT89C51單片機為控制核心組成多點溫度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器電路、鍵盤與顯示電路、串口通信電路等組成部。采用美國Dallas半導體公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。它具有獨特的單總線接口，僅需要占用一個通用I/0端口即可完成與微處理器的通信。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其可以分別93．75ms和750ms內完成9位和12位的數(shù)字量，℃ ， 而且從DS18B20讀出或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫。它有如下的性能特點：1)獨特的單線接口，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無需變換其它電路，直接輸出被測溫度值； 2)多點能力使分布式溫度檢測應用得以簡化；3)不需要外部元件；4) 既可用數(shù)據(jù)線供電，也可采用外部電源供電；5)不需備份電源；6) 測量范圍為55～+125℃ ， 固有測溫分辨率為0．5℃ ；7)通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式；8)用戶可定義非易失性的溫度告警設置；9)警告搜索命令能識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件(溫度警告情況)；10)應用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費類產(chǎn)品、溫度計或任何熱敏系統(tǒng)。以上特性使得DS18B20非常適用于構建高精度、多點溫度測量系統(tǒng)。根據(jù)DS18B20以上的特點我選用方案三來實現(xiàn)本課題。重慶工學院畢業(yè)論文 硬件設計第三章 硬件設計本課題研究的多點測溫系統(tǒng)是以單片機和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心，充分利用單片機優(yōu)越的內部和外部資源及數(shù)字溫度傳感器DS18B20的優(yōu)越性能構成一個完備的測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫度的多點測量。整個系統(tǒng)由單片機控制，能夠接收傳感器的溫度數(shù)據(jù)并顯示出來，可以從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)命令，選擇對應的溫度傳感器，并由驅動電路驅動溫度顯示。本課題設計了一種合理、可行的單片機監(jiān)控軟件，完成測量和顯示的任務。由于單片機具有強大的運算和控制功能，使得整個系統(tǒng)具有模塊化、硬件電路簡單以及操作方便等優(yōu)點。本課題的整個系統(tǒng)是由單片機、顯示電路、鍵盤電路、驅動電路，串口通信等構成。 溫度傳感器 溫度傳感器選用細則 現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1） 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。2）靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的串擾信號3）頻率響應特性 傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。4）線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。5） 穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。6） 精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。 溫度傳感器DS18B20DS18B20型單線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其可以分別93．75ms和750ms內完成9位和12位的數(shù)字量，最大分辨率為0．0625℃ ， 而且從DS18B20讀出或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫。1． DS18B20的性能特點單線數(shù)字化智能集成溫度的傳感器，其特點是：① DSI8B20可將被測溫度直接轉換成計算機能識別的數(shù)字信號輸出，溫度值不需要經(jīng)電橋電路先獲取電壓模擬量，再經(jīng)信號放大和A／D轉換成數(shù)字信號，解決了傳統(tǒng)溫度傳感器存在的因參數(shù)不一致性，在更換傳感器時會因放大器零漂而必須對電路進行重新調試的問題，使用方便．② DS18B20能提供9到12位溫度讀數(shù)，精度高，且其信息傳輸只需1根信號線，與計算機接口十分簡便，讀寫及溫度變換的功率來自于數(shù)據(jù)線而不需額外的電源．③ 每一個DS18B20都有一個惟一的序列號，這就允許多個DS18B20連接到同一總線上．尤其適合于多點溫度檢測系統(tǒng)．④ 負壓特性：當電源極性接反時，DS18B20雖然不能正常工作，但不會因發(fā)熱而燒毀 正是由于具有以上特點，DS18B20在解決各種誤差、可靠性和實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化