【文章內(nèi)容簡介】 如此重要，由此推進(jìn)了溫度傳感器的發(fā)展。傳感器主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：模擬集成溫度傳感器、模擬集成溫度控制器、智能溫度傳感器。溫度傳感器的發(fā)展趨勢：進(jìn)入 21 世紀(jì)后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性 － IV－ 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片機(jī)測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 自從 1976年 Intel公司推出第一批單片機(jī)以來， 80年代的單片機(jī)技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期。近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī) 繼續(xù)朝著快速，高性能的方向發(fā)展，從 4位、 8位單片機(jī)發(fā)展到 16位、 32位單片機(jī)。單片機(jī)主要用于控制，它的應(yīng)用領(lǐng)域遍及各個(gè)行業(yè)，大到航天飛機(jī)，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機(jī)都可以大顯其能，單片機(jī)在國內(nèi)的主要的應(yīng)用領(lǐng)域有三個(gè)：第一是家用電器業(yè)，例如全自動(dòng)洗衣機(jī)、智能玩具；第二是通訊業(yè)，包括手機(jī)、電話和BP 機(jī)等等；第三是儀器儀表和計(jì)算機(jī)外設(shè)制造，例如鍵盤、軟盤、收銀機(jī)、電表等。除了上述應(yīng)用領(lǐng)域外，汽車、電子行業(yè)在外國也是單片機(jī)應(yīng)用很廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多、能靈活的組裝成各種智能控 制裝置，由它構(gòu)成的智能儀表解決了長期以來測量儀表中的誤差的修正、線性處理等問題。 在溫度采集與顯示系統(tǒng)中，用到了自動(dòng)檢測與傳感器技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、單片機(jī)接口技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等方面的大量知識。檢測技術(shù)和傳感技術(shù)是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進(jìn)行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列的技術(shù)措施。隨著人類社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，以信息的獲取轉(zhuǎn)換、顯示和處理為主要內(nèi)容的檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門完整的技術(shù)學(xué)科，在促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步的廣闊領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。其主要應(yīng)用如下：檢測技術(shù)是產(chǎn)品檢驗(yàn)和 質(zhì)量控制的重要手段；檢測技術(shù)在大型的設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行檢測中得到了廣泛的應(yīng)用；檢測技術(shù)和裝置時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分；檢測技術(shù)的完善與發(fā)展推動(dòng)著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步；另一方面看，現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也不斷地對檢測技術(shù)提出新的要求。它是由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置組成。 傳感器在溫度測控系統(tǒng)中的應(yīng)用：目前市場主要存在單點(diǎn)和多點(diǎn)兩種溫度測溫儀表。對于單點(diǎn)測溫儀表，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(yīng)用。此種產(chǎn)品測溫范圍大都在 200℃ ~800℃ 之間，分辨率 12 位，最小分辨溫度在 ~之間。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(chǔ)功能，可存儲(chǔ)幾百到幾千組數(shù)據(jù)。該類儀表可很好的滿足單個(gè)用戶單點(diǎn)測量的需要。多點(diǎn)溫度測量儀表，相對于單點(diǎn)的測量有一定得差距，雖然實(shí)現(xiàn)了多路溫度的測控，但價(jià)格昂貴。 基于單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)測試、微電子和自動(dòng)控制等多項(xiàng)技術(shù)，不僅具有信號采集方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測溫度的技術(shù)指標(biāo)。 － 2－ 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題研究現(xiàn)狀 溫度采集屬于模擬量的采集，也就是數(shù)據(jù)采集，國內(nèi)外數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域正在發(fā)生著重要的變化。首先，分布式控制應(yīng)用場合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正在發(fā)展。其次，總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量正在增大，與個(gè)人計(jì)算機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。數(shù)據(jù)采集已長時(shí)間地被認(rèn)為與數(shù)據(jù)記錄及其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相等同。在工作時(shí)，一些要打印出拷貝，而另一些則把采集的數(shù)據(jù)饋送給主計(jì)算機(jī)處理。但是，隨著分布式控制在各個(gè)領(lǐng)域里越來越普遍的應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集設(shè)備開始同控制設(shè)備想結(jié)合。 近年來，在溫度采集方面，利用智能化數(shù)字式溫 度傳感器以實(shí)現(xiàn)溫度信息的在線檢測已成為溫度監(jiān)測技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。數(shù)字化技術(shù)推動(dòng)了信息化的革命，在傳感器的期間結(jié)構(gòu)上采用數(shù)字化技術(shù)，使信息的采集更加方便。例如，對于溫度信號采集系統(tǒng)，傳統(tǒng)的模擬溫度采集器多為鉑電阻、銅電阻等。每一個(gè)傳輸線至少有兩根導(dǎo)線，帶補(bǔ)償接法需要三根導(dǎo)線。如果對 50 路溫度信號進(jìn)行檢測，就需要 100根導(dǎo)線接到檢測端口，然后還要經(jīng)過電橋電路、信號放大、通道選擇、A/D轉(zhuǎn)換等，才能將溫度信號提供給計(jì)算機(jī)處理。而現(xiàn)在新型的 DS1820單總線數(shù)字溫度傳感器，采用 3腳 (或 8腳 )封裝，從 DS1820讀 出或?qū)懭霐?shù)據(jù)僅需要一根 I/O 口線。用這種智能化數(shù)字式傳感器的優(yōu)勝顯而易見，而且不用進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，節(jié)省了資源。 本課題的研究內(nèi)容與目標(biāo) 本設(shè)計(jì)以 51單片機(jī)為設(shè)計(jì)開發(fā)平臺，主要由 AT89C51單片機(jī)、 DS18B20溫度傳感器、 LCD 液晶顯示、數(shù)碼管、遠(yuǎn)程通信、按鍵和報(bào)警電路幾部分組成。遠(yuǎn)程通信采用 RS485串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)，通過 DS18B20進(jìn)行現(xiàn)場總線的溫度采集，然后將溫度數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具有巡檢速度快，擴(kuò)展性好，成本低的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)軟件編程的自 由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)較簡單，安裝方便。該系統(tǒng)有：單片機(jī)、顯示器、鍵盤、串口通訊、液晶顯示等以及整個(gè)系統(tǒng)中所需要的電源組成的一個(gè)系統(tǒng)，對于超過此限的溫度數(shù)據(jù)將產(chǎn)生報(bào)警信號。設(shè)計(jì)溫度采集系統(tǒng)充分發(fā)揮了 AT89C51 單片機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，大大降低了電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，該系統(tǒng)具有溫控準(zhǔn)確、操控界面良好、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必將給生產(chǎn)生活帶來一定的飛躍，大大促進(jìn)了生產(chǎn)的需要，在以后的發(fā)展中更進(jìn)一步提高效率。 本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有以下幾 點(diǎn)： (1) 實(shí)時(shí)巡檢功能 － 3－ 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 本系統(tǒng)能夠同時(shí)檢測 4路溫度，檢測溫度的范圍為 55℃ ~+125℃ 。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選的 RS485芯片的驅(qū)動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，如 75LBC184標(biāo)稱最大值為 64點(diǎn)， SP485R標(biāo)稱最大值為 400點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因線纜長度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、傳輸速率不同，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)均達(dá)不到理論值。例如 75LBC184運(yùn)用在500m分布的 RS485網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)超過 50或速率大于 ，工作可靠性明顯降低。通常推薦節(jié)點(diǎn)數(shù)按 RS485 芯片最大值的 70%選取，傳輸速率在1200~9600b/s 之間選取。通信距離 1km 以內(nèi)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信距離等綜合考慮選用 4800b/s最佳。通信距離 1km以上時(shí)，應(yīng)考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｋ愿鶕?jù)實(shí)際需要，檢測點(diǎn)數(shù)是可以擴(kuò)展的。 (2) 傳輸距離遠(yuǎn) 使用 RS485 串行總線進(jìn)行傳輸， MAX485 驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，傳送距離大于 1200m，抗干擾能力強(qiáng)。 (3) 功能完善 1 由主控機(jī)分別設(shè)置各從機(jī)的溫度報(bào)警上下限，超過預(yù)定的溫度值時(shí)則發(fā)出一定 ○ 頻率 的聲音來提醒工作人員。 2 主從機(jī)采用中文點(diǎn)陣式液晶顯示器，人機(jī)界面友好。 ○ 3 自帶 +5V和 +12V直流穩(wěn)壓電源。 ○ 2 基本方案比較 常見的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(jì)算機(jī)、單片機(jī)等 [1]。 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的測量及顯示，該方案設(shè)計(jì)電路簡單易懂，操作簡單，且價(jià)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。 － 4－ 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)方案二 采用 PC 機(jī)作為主控機(jī)，單片機(jī)構(gòu)成信號采集單元。通過溫度傳感器采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過含有單片機(jī)的檢測系統(tǒng)的進(jìn)一步分析處理，通過通信線路將信息上行到 PC 機(jī)，在 PC 機(jī)上我們可對溫度信號進(jìn)行任何分析、處理。 圖 方案二的框圖 采用該方案技術(shù)已經(jīng)成熟，而且通過將溫度信息上傳到 PC 機(jī)，利用 PC 機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和相應(yīng)的輔助軟件，可以多角度、多需求的分析處理溫度數(shù)據(jù)，但這在工業(yè)上 大多不是必須的。而且目前 PC 的機(jī)價(jià)格的原因，制造出這樣的系統(tǒng)，不會(huì)得到普遍的應(yīng)用，所以我不準(zhǔn)備采用此種方案。 設(shè)計(jì)方案三 在第三套方案里，遠(yuǎn)程通信引用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)，它對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理，相對于其它現(xiàn)場總線而言，具有結(jié)構(gòu)簡易、成本低廉、硬軟件支持豐富、安裝方便，且與傳統(tǒng)的 DOS 兼容，與現(xiàn)場儀表接口簡單，系統(tǒng)實(shí)施容易等特點(diǎn)。 第三套方案是基于 RS485總線的控制網(wǎng)絡(luò)的情況下以 AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心，對多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制巡檢。各檢測單元（從機(jī)）能獨(dú)立完成各自功能，根據(jù) 主控機(jī)的指令對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)采集，測量結(jié)果不僅能在本地儲(chǔ)存、顯示，而且可以利用單片機(jī)串行口，通過 RS485總線及通信協(xié)議將將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析、存檔、處理。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令發(fā)送，控制各個(gè)從機(jī)進(jìn)行溫度采集， － 5－ 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 收集測量數(shù)據(jù)，并對測量結(jié)果（包括歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行整理、顯示和打印。主控機(jī)與各從機(jī)之間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到了系統(tǒng)整體統(tǒng)一和諧的控制效果。 圖 方案三的系統(tǒng)框圖 該方案主控機(jī)和從機(jī)完