【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)展，傳感器技術(shù)也得到了顯著的發(fā)展?，F(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(jì)算機(jī)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(cè)量?jī)x表 的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，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(lèi)。 按照控制信號(hào)的形式分類(lèi)又可以分成數(shù)字溫度傳感器和模擬溫度傳感器兩類(lèi)。 例如 AD590 是美國(guó)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(shí)， 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(hào) 傳輸距離可達(dá)到 1km 以上。作為一種高阻電流源，最高可達(dá) 20MΩ，所以它不必考慮選擇開(kāi)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(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)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(shí)驗(yàn)室首先開(kāi)發(fā)研制成功，并由新成立的荷蘭 Smartec 公司對(duì)其進(jìn)行市場(chǎng)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(guò)占空比比較器調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，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(hào)故與微處理器 MCU 兼容，通過(guò)處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號(hào)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(cè)量溫度范圍 45 到 130℃ ，故廣泛被用于高精度場(chǎng)合 。 第３章 系統(tǒng)方案選擇與電路設(shè)計(jì) 各模塊方案的選擇 本設(shè)計(jì)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(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。 51 單片機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的8 位單片機(jī)，技 術(shù)比較成熟、并且其編程簡(jiǎn)單、易開(kāi)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(dòng)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(jī) C8051F040，它是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)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(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有 1 個(gè) 12 位多通道 ADC， 2 個(gè) 12位 DAC， 2 個(gè)電壓比較器， 1 個(gè)電壓基準(zhǔn)， 1 個(gè) 32kB 的 FLASH 存儲(chǔ)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(dá) 25MIPS，并且還有硬件實(shí)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(hào) SoC 級(jí)微控制器芯片，具有與 8051 單片機(jī)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(guò)比較這兩種方案，本設(shè)計(jì)最終選定 C8051F040 單片機(jī) 作為本溫度測(cè)量系統(tǒng)的微控制器，因?yàn)?C8051F040 單片機(jī)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(jìn)行軟件開(kāi)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(gè) 16 位的計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器、兩個(gè)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(gè) 8 位寬的 I/O 端口。同時(shí) C8051F040 中除具有 4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8051 端口 P0、 P P P3 外，還附加了 4 個(gè)端口 P P PP7。這 64 個(gè)多功能的 I/O 端口每個(gè)引腳都可以被配置為漏極開(kāi)路或推挽輸出方式，方便用戶使用 [6]。 另外 ，可通過(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、 ADC 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)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(gè)芯片很適合本系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，同時(shí)能大大的減化外圍功能電路的設(shè)計(jì)，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省外圍開(kāi)發(fā)成本。 傳感器的選擇 方案一：采用獨(dú)立的溫度傳感器。經(jīng)過(guò)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(shí)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(cè)溫傳感器及邏輯控制電路。 DS18B20 的外圍電路簡(jiǎn)單 ,成本低 ,測(cè)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(diǎn) ,例如 :直接輸出數(shù)字信號(hào) ,無(wú)需后續(xù)的信號(hào)處理及 A/D轉(zhuǎn)換部分 。單總線是指一根信號(hào)線上可以掛連多個(gè) DS18B20,可用于多點(diǎn)測(cè)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(jī)范圍，不是外接的傳感器范圍 )工業(yè) 級(jí)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(lái)只能連接 32 個(gè) PT100、 PT1000 熱電阻采集模塊連到同一網(wǎng)絡(luò)曾多到 255 個(gè)，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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集溫度。 通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)方案的對(duì)比，兩個(gè)方案在精度和測(cè)量范圍上都是符合本設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但是相對(duì)于 LMPT1000 自帶 LCD 顯示來(lái)說(shuō)， 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(wú)須外加 A/D 轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)單方便。并且本設(shè)計(jì)自帶顯示電路，所以本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 RS232標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì) (EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點(diǎn)通訊標(biāo)準(zhǔn)，它采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸。但由于 RS232 不涉及通信協(xié)議，無(wú)糾錯(cuò)、容錯(cuò)、防網(wǎng)絡(luò)堵塞等功能，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)未采用此方案。 方案二：運(yùn)用 TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 TCP 協(xié)議通信比較復(fù)雜，編寫(xiě)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(shí)候，網(wǎng)絡(luò)傳載信息負(fù)荷比較大時(shí)容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，通信就會(huì)出現(xiàn)一定的延遲，這將影響到溫度控制系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)控的實(shí)時(shí)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(shí)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(jí)的分布實(shí)時(shí)控制，以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響；報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；每幀信息都有 CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)， 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(shí)時(shí)性和靈活性。 通過(guò) 對(duì)比，本設(shè)計(jì)選擇了方案三，用于站點(diǎn)與站點(diǎn)之間的通信，上位機(jī)與各個(gè)站點(diǎn)之間的通信是通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)的串口實(shí)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(shí)現(xiàn)。 方案一：采用 LCD 顯示模塊 ， LCD 為英文 Liquid Crystal Display 的縮寫(xiě)，即液晶顯示器，是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可以通過(guò)液晶和彩色過(guò)濾器過(guò)濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖像。能顯示測(cè)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(jià)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?yàn)樗旧碛谢顒?dòng)、很多優(yōu)點(diǎn)。例如：亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、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(jià)格便宜。 通過(guò)對(duì)比兩方案，在顯示的實(shí)現(xiàn)上方案一更加多樣化，但是結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)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(dòng)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(gè)電流限制電路，保護(hù)發(fā)送器的輸出級(jí)，使由正或負(fù)電源電壓意外造成的短路不會(huì)對(duì) TJA1050造成損壞（此時(shí)的功率消耗增加）。TJA1050還有一個(gè)溫度保護(hù)電路，當(dāng)與發(fā)送器的連接點(diǎn)的溫度超過(guò)大約 165℃ 時(shí)，會(huì)斷開(kāi)與發(fā)送器的連接。因?yàn)榘l(fā)送器消耗了大部分的功率，所以這個(gè)集成電路的功率消耗和溫度會(huì)較低。但是此 時(shí) 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(chē)中高速通訊（高達(dá) 1Mbps）應(yīng)用而設(shè)計(jì)。此器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，完全符合 “ ISO11898” 標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)限流電路可防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)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(shí)，功耗將增加，但這種特性可以阻止發(fā)送器輸出級(jí)的破壞。在節(jié)點(diǎn)溫度大約超過(guò) 160℃時(shí)，兩個(gè)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(huì)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(jī)、斜率控制。 通過(guò)對(duì)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(jì)的需要，選擇了第一種方案。 溫度采集模塊電路設(shè)計(jì) 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(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)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(cè)溫和控制領(lǐng)域。 1: 技術(shù)性能描述 ①、 獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 ② 、測(cè)溫范圍 － 55℃～ +125℃，固有測(cè)溫分辨率 ℃。 ③、支持多點(diǎn)組 網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，如果數(shù)量過(guò)多，會(huì)使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號(hào)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(cè)量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 ⑦ 、不銹鋼保護(hù)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(cè)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(chē)、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。 現(xiàn)在 DS18B20 已經(jīng)應(yīng)用于所開(kāi)發(fā)的“ LCD 顯示氣溫”的控制系統(tǒng)中，其測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)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(jiǎn)單，給硬件設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開(kāi)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(bào)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(hào)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(shí)接地）。