【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，單片機(jī)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用水平已逐漸成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。目前，單片機(jī)的生產(chǎn)公司都在努力單片機(jī)的性能，如不斷地提高時鐘頻率，可提高 CPU執(zhí)行速度；精簡指令、多級流水線操作方式可提高指令的執(zhí)行速度、擴(kuò)大尋址能力；不斷地?cái)U(kuò)大數(shù)據(jù)存儲器容量， EEPROM 和閃存容量可達(dá) 64Kbytes。在結(jié)構(gòu)上細(xì)致化、智能化、密切化，增加片內(nèi)功能，盡量減少外部接口芯片，提供與主機(jī)的接口，降低單片機(jī)的功耗，提高寬電源的適應(yīng)能力，增 加高噪聲容限，并具有更好的電磁兼容性。面向應(yīng)用對象的多功能多品種的增強(qiáng)型單片機(jī)將大大增加。 硬件和軟件設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)的兩個重要方面。本章主要論述該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計(jì)時，主要從以下原則出發(fā) : 1．硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。 2．可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平均無故障時間越長，而且所用芯片數(shù)量越少，地址數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿足功能的情況下力爭使用較少數(shù)量的芯片及線路 。 3．靈活的功能升級及系統(tǒng)擴(kuò)展。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個方面，系統(tǒng)需要不斷完善，需要進(jìn)行功能升級；并且，在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到系統(tǒng)在以后應(yīng)用中擴(kuò)展的方便性。 根據(jù)系統(tǒng)要求及上面 礦用溫度傳感器系統(tǒng)框圖 ，確定系統(tǒng)硬件原理圖。系統(tǒng)以單片微機(jī) AT89C51為中央處理單元，由溫 度傳感 元件 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路 、數(shù)字顯示、聲光報(bào)警、等單元電路組成。 系統(tǒng)框圖 5 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框圖如圖 21所示。 圖 2— 1 礦用溫度傳感器系統(tǒng)框圖 礦用溫度傳感器經(jīng)過熱電偶將測得的溫度值通過信號轉(zhuǎn)換輸入到控制器（單片機(jī)）中，微控制器將采集到的溫度值處理，獲得高精度的測量結(jié)果，送 LED 數(shù)碼管顯示，同時計(jì)算出對應(yīng)的頻率信號，輸出給監(jiān)控系統(tǒng)的工作站，上傳給監(jiān)控主機(jī)。 總體方案的選定 就硬件而言，系統(tǒng)選用的設(shè)計(jì)電路和應(yīng)用器件，不僅要考慮滿足功能要求， 還應(yīng)考慮產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境，留有一定的設(shè)計(jì)余量，以滿足可靠性要求。對軟件來說，應(yīng)盡可能預(yù)防可能發(fā)生的故障，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，以利于程序的編制和調(diào)試，減少 故障率，提高軟件的可靠性。 本文詳細(xì)論述了近年來我國煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng) 中主要的溫度傳感器的原理、特點(diǎn)及軟件設(shè)計(jì)。溫度傳感器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,主要包括主程序、子程序和中斷服務(wù)程序 ,方便了程序的調(diào)試、連接和擴(kuò)展。主程序主要完成系統(tǒng)自檢、初始化及功能模塊子程序調(diào)用等功能 ,而功能模塊子程序則對系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展為根據(jù)礦井具體情況的不同來設(shè)置閾值、顯示保持時間 ,并通過特定的設(shè)計(jì)使此溫度傳感器能適應(yīng)于不同的礦井 ,滿足不同安全管理操作方便的需要。 第 3 章 各單元電路元件的設(shè) 計(jì) 溫度傳感器 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對溫度的測量及熱電偶 信號轉(zhuǎn)換 AT89C51 單片機(jī) 紅外遙控電路 電源電路 LED 顯示 信號輸出電路 聲光報(bào)警 6 控制始終占據(jù)著重要位置。溫度傳感器應(yīng)用范圍之廣，使用數(shù)量之大，也高居各類傳感器之首。目前，溫度傳感器正向著單片集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和單片系統(tǒng)化的方向發(fā)展。 人們研究溫度測量的歷史已經(jīng)相當(dāng)久遠(yuǎn)，所使用的傳感器也種類繁多。近百年來，傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件）；模擬集成溫度傳感器 /控制器；智能溫度傳感器（即數(shù)字式溫度傳感器）。 傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、 熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器，均屬于分立式溫度傳感器，傳感器本身就是一個完整的、獨(dú)立的感溫元件。此類傳感器通常要配溫度變送器，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的迷你兩（電壓或電流）輸出信號。其主要缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜、測量精確度較低、分辨力不高、需進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，另外它們的體積較大、使用也不夠方便。 集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成傳感器。模擬集成溫度傳感器是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用 IC，它屬于最簡單的一種集成溫度傳感器。其主要特點(diǎn) 是功能單一、測量誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測溫，不需要警醒非線性校準(zhǔn)。外圍電路簡單。 智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器）是在 20 世紀(jì) 90 年代中期問世的。智能溫度傳感器是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)的結(jié)晶，它也是集成溫度傳感器領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。智能溫度傳感器具有以下三個顯著特點(diǎn)：第一。能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（ MCU）；第二，能以最簡方式構(gòu)成高性價(jià)比、多功能的智能化溫度測控系統(tǒng)；第三、它是在硬件 的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)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。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器（或寄存器）和接口電路。 鑒于文章介紹的主要方向，以下主要說明分立式溫度傳感器中的熱電偶傳感器。 熱電偶的工作原理 當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體和半導(dǎo)體 A和 B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為 T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為 T0，稱為自由端 (也稱參考端 )或冷端，則回路中就有電流產(chǎn)生，如圖 31 所示，即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。這種由于溫度不同 而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。 與塞貝克有關(guān)的效應(yīng)有兩個：其一，當(dāng)有電流流過兩個不同導(dǎo)體的連接處時，此處 7 便吸收或放出熱量 (取決于電流的方向 )，稱為珀?duì)柼?yīng)；其二，當(dāng)有電流流過存在溫度梯度的導(dǎo)體時，導(dǎo)體吸收或放出熱量 (取決于電流相對于溫度梯度的方向 )，稱為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢 EAB(T， T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。 圖 31 熱電偶工作原理 圖 溫差電勢是指同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在 溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢，此電勢只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的長度、截面大小、沿其長度方向的溫度分布無關(guān)。無論接觸電勢或溫差電勢都是由于集中于接觸處端點(diǎn)的電子數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢，熱電偶測量的熱電勢是二者的合成。當(dāng)回路斷開時，在斷開處 a， b 之間便有一電動勢差△ V，其極性和大小與回路中的熱電勢一致，如圖 21(b)所示。并規(guī)定在冷端，當(dāng)電流由 A流向 B時，稱 A為正極， B 為負(fù)極。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)△ V 很小時，△ V與△ T 成正比關(guān)系。定義△ V 對△ T 的微分熱電勢為熱電勢率，又稱塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)的符號和 大小取決于組成熱電偶的兩種導(dǎo)體的熱電特性和結(jié)點(diǎn)的溫度差。 目前，國際電工委員會（ IEC）推薦了 8 種類型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即為T型、 E型、 J 型、 K型、 N型、 B 型、 R型和 S 型。 熱電偶的使用 ，只需考慮兩端溫度值，而不必顧及其中間段的溫度。 ，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線將貴金屬熱電偶的冷端延伸至溫度穩(wěn)定處。但補(bǔ)償導(dǎo)線 a、 b在 Tn到 T0 的溫度范圍內(nèi)，應(yīng)分別與貴金屬 A、 B具有相同的熱電特性。 其熱電偶使用如圖 32所示。 8 圖 32 熱電偶使用圖 常用熱 電偶 10 — 鉑熱電偶 由直徑 5mm 的純鉑絲和相同直徑的鉑銠絲制成，用符號 LB 表示。鉑銠絲為正極，純鉑絲為負(fù)極。這種熱電偶可在 1300℃一下范圍內(nèi)長期使用，短期可測 1600℃高溫。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故 LB 熱電偶的復(fù)現(xiàn)精度和測量準(zhǔn)確性高，但 LB熱電偶的材料為貴金屬，成本高。 — 鎳硅熱電偶 鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極，熱偶絲直徑為 ～ ，符號用 EU 表示。 EU熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，測量范圍為 50— +1312℃。其復(fù)現(xiàn)性好，產(chǎn)生熱電 動式大，線性好，價(jià)格便宜，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。 — 錳白銅熱電偶 它由鎳鉻材料與鎳、銅合金材料組成，符號為 EA。熱偶絲直徑為 ～ 2mm，鎳鉻為正極，錳白銅為負(fù)極。它適用于還原性或中性介質(zhì)。 EA 熱電偶靈敏度高，價(jià)格便宜，但測溫范圍窄而低。 5 — 鎢錸 20 熱電偶 它是非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，鎢錸 5 作正極，鎢錸 20 作負(fù)極，一般使用在超高溫場合。國產(chǎn)鎢錸 5 — 鎢錸 20 熱電偶使用溫度范圍為 300～ 2020℃精度達(dá)177。 1％?？稍跉錃庵羞B續(xù)使用 100h，真空中使用 8h，性能穩(wěn)定在177。 1％以內(nèi)。鎢錸系熱電偶是一種較好的超高溫?zé)犭娕?，其最高使用溫度受絕緣材料的限制，一般可達(dá) 2400℃，在真空中用裸絲測量時可用到更高的溫度。熱電偶誤差參數(shù)如表 31所示。 表 3— 1 熱電偶誤差參數(shù) 熱電偶的允差（參考端為 0℃） 分度號 允差 /溫度范圍 （℃ ） Ⅰ級 Ⅱ級 S 177。 1/0～ 1100 177。 ～ 600 9 R 177。 [1+(t1100)]/1100～ 1600 177。 %t/600～ 1600 B / 177。 %t/600～ 1700 K N 177。 ～ 375 177。 ～ 333 177。 %t/375～ 1000 177。 %t/333～ 1200 E 177。 ～ 375 177。 ～ 333 177。 %t/375～ 800 177。 %t/333～ 900 J 177。 ～ 375 177。 ～ 333 177。 %t/375～ 750 177。 %t/333～ 750 T 177。 ～ 125 177。 1/40～ 133 177。 %t/125～ 250 177。 %t/133～ 350 WRe 177。 1%t AT89C51單片機(jī) AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可 擦除只讀存儲器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器， 俗稱單片機(jī) 。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51單片機(jī)的主要特性 AT89C51 單片機(jī)與 MCS51 單片內(nèi)部功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容 。并且引入了 Flash 與 80C51 內(nèi)核相結(jié)合技術(shù)。使 AT89C51 單片機(jī)優(yōu)良的工作性能、使用的靈活性以及較高的性能價(jià)格比，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 其主要特性為： MCS51系列單片機(jī)完全 兼容 ； 4K 字節(jié) 的 可編程閃爍存儲器 ； 1000 次 寫 /擦循環(huán) ，壽命長； 為 10年 ； 作時的頻率為 0Hz～ 24MHz； 10 8位內(nèi)部 RAM 可編程 I/O 線 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器 個中斷源 道 A/D 轉(zhuǎn)換電路及其芯片 經(jīng)過溫度傳感元件放大后的電壓信號