【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)展，傳感器技術(shù)也得到了顯著的發(fā)展。現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集 (即傳感器技術(shù) )、信息傳輸 (通信技術(shù) )和信息處理 (計算機技術(shù) )。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科 學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首 【 7， 8】 。 溫度傳感器是 溫度測量儀表 的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照 傳感器材料 及電子元件特性分為熱電阻和 熱電偶兩類。 按照控制信號的形式分類又可以分成數(shù)字溫度傳感器和模擬溫度傳感器兩類。 例如 AD590 是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為 3~30V，輸出電流 223μA（ 50℃ ） ~423μA（ +150℃ ），靈敏度為 1μA/℃ 。當(dāng)在電路中串接 采樣電阻 R 時， R 兩端的電壓可作為喻出電壓。注意 R 的阻值不能取得太大，以保證 AD590 兩端電壓不低于 3V。 AD590 輸出電流信號 傳輸距離可達到 1km 以上。作為一種高阻電流源，最高可達 20MΩ，所以它不必考慮選擇開關(guān)或 CMOS 多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差 。適用于多點溫度測量和遠(yuǎn)距離溫度測量 的控制。 而 SMT16030 在 80 年代末期由 荷蘭代爾夫特理工大學(xué) 的實驗室首先開發(fā)研制成功，并由新成立的荷蘭 Smartec 公司對其進行市場化。它采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，其采用 PTAT 結(jié)構(gòu)，這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有精確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。 PTAT 的輸出通過占空比比較器調(diào)制成數(shù)字信號，占空比與溫度的關(guān)系如下式： DC=+*t， t 為攝氏度。輸出數(shù)字信 號故與微處理器 MCU 兼容，通過處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號的占空比，即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優(yōu)于 。測量溫度范圍 45 到 130℃ ，故廣泛被用于高精度場合 。 第３章 系統(tǒng)方案選擇與電路設(shè)計 各模塊方案的選擇 本設(shè)計各模塊的選擇主要包括系統(tǒng)微控制器，傳感器的選擇，通訊模塊的選擇， CAN 收發(fā)器模塊選擇，顯示模塊選擇。 系統(tǒng)微控制器的選擇 方案一：選擇 51 單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。 51 單片機是應(yīng)用最為廣泛的8 位單片機，技 術(shù)比較成熟、并且其編程簡單、易開發(fā)、成本低廉、功能也較為完善，因此被廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動控制領(lǐng)域和智能家電控制領(lǐng)域。 方案二：選擇 Cygnal 公司的 51 系列單片機 C8051F040，它是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件，代表了目前 8 位單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有 1 個 12 位多通道 ADC， 2 個 12位 DAC， 2 個電壓比較器， 1 個電壓基準(zhǔn)， 1 個 32kB 的 FLASH 存儲器，與 MCS－ 51 指令集完全兼容的高 速 CIP－ 51 內(nèi)核，峰值速度可達 25MIPS，并且還有硬件實現(xiàn)的 UART 串行接口和完全支持 和 的 CAN 控制器。C8051F040 是高度集成的混合信號 SoC 級微控制器芯片，具有與 8051 單片機兼容的高速 CIP51 微控制器內(nèi)核，除了標(biāo)準(zhǔn) 8051 的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其它一些數(shù)字外設(shè)部件。 通過比較這兩種方案，本設(shè)計最終選定 C8051F040 單片機 作為本溫度測量系統(tǒng)的微控制器，因為 C8051F040 單片機系統(tǒng)控制器的內(nèi)核采用 CIP51 微控制器，它與 MCS51 指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x 匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。 CIP51 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的所有外設(shè)部件，包括 5 個 16 位的計數(shù)器 /定時器、兩個全雙工 UART 串行接口、 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM、 128 字節(jié)特殊功能寄存器（ SFR）地址空間及 8 個 8 位寬的 I/O 端口。同時 C8051F040 中除具有 4 個標(biāo)準(zhǔn)的 8051 端口 P0、 P P P3 外，還附加了 4 個端口 P P PP7。這 64 個多功能的 I/O 端口每個引腳都可以被配置為漏極開路或推挽輸出方式，方便用戶使用 [6]。 另外 ，可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器 /定時器、串行總線、硬件中斷、 ADC 轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置在端口 I/O 引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口 I/O 和所需數(shù)字資源的組合。，這個芯片很適合本系統(tǒng)各項性能指標(biāo)的要求，同時能大大的減化外圍功能電路的設(shè)計，縮短開發(fā)周期，節(jié)省外圍開發(fā)成本。 傳感器的選擇 方案一：采用獨立的溫度傳感器。經(jīng)過調(diào)查，溫度傳感器選用 Dallas 公司的可編程單線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 實現(xiàn)環(huán)境溫度采集。該傳感器體積 小 ,外形如普通三極管 ,其內(nèi)部集成有測溫傳感器及邏輯控制電路。 DS18B20 的外圍電路簡單 ,成本低 ,測溫精度較高 ,可以設(shè)定 9～ 12 位的分辨率 ,精度為177。 ℃ ,可以滿足一般應(yīng)用的要求。它還有很多優(yōu)點 ,例如 :直接輸出數(shù)字信號 ,無需后續(xù)的信號處理及 A/D轉(zhuǎn)換部分 。單總線是指一根信號線上可以掛連多個 DS18B20,可用于多點測量 【 9】 。 方案二： LMPT100、 LMPT1000 是帶 LCD 顯示的熱電阻溫濕度傳感器，工作于 40℃～ +85℃ ( LinkMax 溫濕度傳感器 主機范圍，不是外接的傳感器范圍 )工業(yè) 級環(huán)境，采集溫度范圍為－ 200℃～ +200℃，顯示精度 ℃；綜合精度 ℃。將我們的熱電阻傳感器與我們的 RS－ 485 中繼器，可將原來只能連接 32 個 PT100、 PT1000 熱電阻采集模塊連到同一網(wǎng)絡(luò)曾多到 255 個，且最大通信距離為 1200m。 LMPT100、 LMPT1000 熱電阻溫濕度傳感器還可以和LM8052NET 配合，組成 TCP/IP 的溫度采集網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程采集溫度。 通過對以上兩個方案的對比，兩個方案在精度和測量范圍上都是符合本設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，但是相對于 LMPT1000 自帶 LCD 顯示來說， DS18B20 的電源電壓范圍：在保證溫度轉(zhuǎn)換精度為 + 的情況下，電源電壓可為 ++。精度：DS18B20 在 10oC 到 +85oC 的范圍內(nèi)精度為 +。分辨率： DS18B20 的分辨率由912 位數(shù)據(jù)在線編程決定 【 10】 。并且 DS18B20 轉(zhuǎn)換速度快，節(jié)約 I\O 口， 直接輸出數(shù)字量，無須外加 A/D 轉(zhuǎn)換電路，簡單方便。并且本設(shè)計自帶顯示電路，所以本設(shè)計選擇第一方案。 通訊模塊總線的選擇 遠(yuǎn)程通信通?？梢圆捎?RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)的串口通信、 CAN 總線通信和 TCP協(xié)議通信。 方案 一：利用 RS232實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 RS232標(biāo)準(zhǔn)是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會 (EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標(biāo)準(zhǔn)，它采用差分信號進行傳輸。但由于 RS232 不涉及通信協(xié)議，無糾錯、容錯、防網(wǎng)絡(luò)堵塞等功能，我們在設(shè)計時未采用此方案。 方案二：運用 TCP 協(xié)議實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 TCP 協(xié)議通信比較復(fù)雜，編寫程序有一定的困難性。另外由于 TCP 本身的特性，若在網(wǎng)絡(luò)信息量比較大的時候，網(wǎng)絡(luò)傳載信息負(fù)荷比較大時容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，通信就會出現(xiàn)一定的延遲，這將影響到溫度控制系統(tǒng)對溫度測控的實時性與準(zhǔn)確性，使得系統(tǒng)性能不穩(wěn) 定。 方案三：利用 CAN 總線實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 CAN 是一種串行通信協(xié)議，它能有效支持高安全等級的分布實時控制，以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從；節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響；報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低；每幀信息都有 CRC校驗及其它檢錯措施，具有極好的檢錯效果。由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計， CAN 總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。 通過 對比，本設(shè)計選擇了方案三，用于站點與站點之間的通信，上位機與各個站點之間的通信是通過主控節(jié)點的串口實現(xiàn)的。 顯示模塊的選擇 本系統(tǒng)主要是顯示環(huán)境當(dāng)前的溫濕度，并顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。使用LCD 或者 LED 都可以實現(xiàn)。 方案一：采用 LCD 顯示模塊 ， LCD 為英文 Liquid Crystal Display 的縮寫，即液晶顯示器，是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖像。能顯示測得溫、濕度值和系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)等。還可以很方便地顯示字符和漢字，但價格較高。 方案二：采 用 LED 顯示模塊， LED 之所以受到廣泛重視并得到迅速發(fā)展，是因為它本身有活動、很多優(yōu)點。例如：亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊且性能穩(wěn)定，其發(fā)展前景極為廣闊。目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性和發(fā)光密度、發(fā)光均勻性、全色化發(fā)展。所以采用 LED同樣能很好的顯示環(huán)境當(dāng)前溫濕度和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而且價格便宜。 通過對比兩方案，在顯示的實現(xiàn)上方案一更加多樣化，但是結(jié)合本設(shè)計的實際情況，選擇了方案二。 CAN 收發(fā)器的選擇 方案一： TJA1050是 CAN協(xié)議控制器和物理總線之間 的接口。它最初是應(yīng)用在波特率范圍在 60k波特到 1M波特的高速自動化應(yīng)用中。 TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為 CAN控制器提供不同的接收性能。而且它與 “ ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。 TJA1050有一個電流限制電路，保護發(fā)送器的輸出級，使由正或負(fù)電源電壓意外造成的短路不會對 TJA1050造成損壞（此時的功率消耗增加）。TJA1050還有一個溫度保護電路，當(dāng)與發(fā)送器的連接點的溫度超過大約 165℃ 時，會斷開與發(fā)送器的連接。因為發(fā)送器消耗了大部分的功率，所以這個集成電路的功率消耗和溫度會較低。但是此 時 IC的其他功能仍繼續(xù)工作。允許選擇兩種不同的工作模式：高速模式或靜音模式。 方案二： PCA82C50是 CAN協(xié)議控制器和物理總線間的接口，它主要是為汽車中高速通訊（高達 1Mbps）應(yīng)用而設(shè)計。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，完全符合 “ ISO11898” 標(biāo)準(zhǔn)。一個限流電路可防止發(fā)送輸出級對電池電壓的正端和負(fù)端短路。雖然在這種故障條件出現(xiàn)時，功耗將增加，但這種特性可以阻止發(fā)送器輸出級的破壞。在節(jié)點溫度大約超過 160℃時，兩個發(fā)送器輸出端的極限電流將減少。由于發(fā)送器是功耗的主要部分 ，因此芯片溫度會迅速降低。 IC的其他所有部分將繼續(xù)工作。允許選擇三種不同的工作模式：高速、待機、斜率控制。 通過對比兩收發(fā)器，各方面性能都比較接近，但是考慮到在應(yīng)用方面的TJA1050更容易上手，而且 TJA1050性能稍好，并且提供的兩種工作模式比較適合此次設(shè)計的需要，選擇了第一種方案。 溫度采集模塊電路設(shè)計 本模塊采用了集成的溫濕度傳感器 DS18B20,DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 1: 技術(shù)性能描述 ①、 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 ② 、測溫范圍 － 55℃～ +125℃，固有測溫分辨率 ℃。 ③、支持多點組 網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。 ④、工作電源 : 3~5V/DC ⑤ 、在使用中不需要任何外圍元件 ⑥、 測量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 ⑦ 、不銹鋼保護管直徑 Φ 6 ⑧ 、適用于 DN15~25, DN40~DN250 各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫 ⑨、 標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1, , G1/2”任選 ⑩ 、 PVC 電纜直接出線或德式 球型接線盒出線 ,便于與其它電器設(shè)備連接。 該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域。 現(xiàn)在 DS18B20 已經(jīng)應(yīng)用于所開發(fā)的“ LCD 顯示氣溫”的控制系統(tǒng)中，其測溫系統(tǒng)簡單，測量精度高，連接方便，占用口線少，轉(zhuǎn)換速度快，與微處理器的接口簡單，給硬件設(shè)計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期 【 11】 。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的外形及管腳排列如下圖 1: DS18B20 引腳定義： (1)DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端； (2)GND 為電源地； (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。