【文章內(nèi)容簡介】 5 的電源電壓范圍為 4V～ 30V。電源電壓可在 4V~6V范圍變化，電流變化 1mA，相當于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，接口 也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。 AD590 的測量信號可遠傳百余米。 3. 方案選擇 綜合比較方案一與方案二，方案二中的 AD590 具有 測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等優(yōu)點， 且 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。 更為適合于本設計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 [6] 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸 水量及周圍空氣的濕度。電容式 、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù) 、 電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。 1. 方案一 采用 HOS201 濕敏傳感器。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關傳感器，它的工作電壓為交流 1V以下，頻率為 50HZ～ 1KHZ，測量濕度范圍為 0～ 100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃，阻抗在 75%RH（ 25℃）時為 1MΩ。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時 具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 2. 方案二 采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器。 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 相對濕度在 1%100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ ?？梢娋仁禽^高的。 3. 方案選擇 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設計系統(tǒng)中對溫度 30～ 50℃的要求，而方案二， HS1100/HS1101 互換性好，高可靠性，長期穩(wěn)定性好，響應快 。因此，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳感器。[1] 6 信號采集通道的選擇 在本設計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為 8 路的模擬信號，這就需要 多通道結(jié)構(gòu)。 1. 方案 一 方案 一是 采用多路并行模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為： （ 1）可以根據(jù)各輸入量測量的要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以作得較低。 （ 2）硬件復雜，故障率高。 （ 3）軟件簡單，各通道可以獨立編程。 2. 方案二 方案二是采用多路分時的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為： （ 1）對 ADC、 S/H 要求高。 （ 2）處理速度慢。 （ 3）硬件簡單，成本低。 （ 4）軟件比較復雜。 3. 方案選擇 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較 其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。 圖 21 多路并行模擬量輸入通道 信號調(diào)節(jié) 信號調(diào)節(jié) 信號調(diào)節(jié) 多路切換器 采樣保持器 A/D轉(zhuǎn)換器 接口 CPU 信號調(diào)理 采樣 /保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器 接口 信號調(diào)理 采樣 /保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器 接口 信號調(diào)理 采樣 /保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器 接口 CPU 7 圖 22 多路分時的模擬量輸入通道 編程方案語言選擇 C51 是面向 51 系列單片機的 C 語言編譯器，采用 C51 程序設計語言，編程都只需了解變量和常數(shù)的存儲類型與 51 系列單片機存儲空間的對應關系，而不必深入了解單片機的硬件和接口， C51 編譯器會自動完成變量的存儲單元的分配。目前， C51語言已成為 51 系列單片機的主流程序設計語言，所以本設計采用 C51 編程。 8 第 3 章 過程論述 本設計是基于單片機對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和 A/D 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，本設計了以 51 單片機基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設計。 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 本設計主要有由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。系統(tǒng)總 體框圖見圖 . 信號采集由 AD590、 HS1100 及多路開關 CD4051 組成； 信號分析由 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC1443單片機 80C51 基本系統(tǒng)組成； 信號處理由串行口 LCD 顯示器和報警系統(tǒng)等組成。 溫度檢測電路如圖 32 所示，濕度檢測電路如圖 33 所示。 圖 32 溫度采集、處理模塊 AD590_1 AD590_2 AD590_8 4051 MC14433 CPU 溫度采集、處理模塊 濕度采集、處理模塊 CPU 看門狗 顯示模塊 報警電路 鍵盤模塊 9 圖 33 濕度采集、處理模塊 信號采集 溫度傳感器 集成溫度傳感器 AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。 1. 主要特性 AD590 是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值 ， 根據(jù)特性 分檔 ， AD590 的后綴以 I， J， K， L， M 表示 ， M 檔為精度最高檔， I 檔為精度最低檔 。 AD590L， AD590M 一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖 34 所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1 腳為電源正端 V＋； 2 腳為電流輸出端 I0； 3 腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖 34 所示 [1]。 圖 34 AD590 外形（左）及電路符號（右） (1) 流過器件的電流（μ A）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即： I T/T=1μ A /K 式中： IT—— 流過器件（ AD590）的電流，單位μ A。 T—— 熱力學溫度，單位 K。 (2) AD590 的測溫范圍 55℃ ~ +150℃。 (3) AD590 的電源電壓范圍為 4V30V。電源電壓可在 4V6V范圍變化，電流 IT變化 1μ A，相當于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會損壞。 (4) 輸出電阻為 710MΩ。 (5) 精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M 五檔，其中 M 檔精度最高，在 55℃～Hs1100 Hs1100 Hs1100 555 555 555 4051 CPU 10 +150℃范圍內(nèi)，非線形誤差177。 ℃。 2. AD590 的工作原理 在被測溫度一定時， AD590 相當于一個恒流源，把它和 5～ 30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個 1kΩ 的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mV／ K 的電壓信號。其 核心 電路如圖 35 所示。 圖 35 AD590 內(nèi)部核心電路 圖 35 是利用 ΔUBE 特性的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 TT2 起 恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等； T T4 是感溫用的晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實質(zhì)上是由 n 個晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍。 T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3 和 UBE4 經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R 上，所以 R 上端電壓為 ΔUBE。因此，電流 I1 為 ： I1＝ ΔUBE／ R＝（ KT／ q）（ lnn）／ R 公式 31 對于 AD590， n＝ 8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度 T 成正比，將此電流引至負載電阻 RL 上便可得到與 T 成正 比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖 3 中的電阻 R 是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到 1μA／ K 的 I 值。 電源 R － RL ＋ I1 I2 T1 T2 T4 T3 11 圖 36 AD590 內(nèi)部電路 圖 36 所示是 AD590 的內(nèi)部電路，圖中的 T1～ T4 相當于圖 35 中的 T T2，而 T9， T11 相當于圖 35 中的 T T4。 R R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào)整之用。 T T8， T10 為對稱的 Wilson 電路，用來 提高阻抗。 T T12和 T10 為啟動電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。 T6 可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。 R1， R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。 T1～ T4 是為熱效應而設計的連接 防式。而C1 和 R4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得 T9， T10， T11 三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個電路總電流 I 的 1／ 3。 T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積比為 8： 1， T10和 T11 的發(fā)射結(jié)面積相等。 T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫出： ΔUBE＝（ R6－ 2 R5） I／ 3 公式 32 R6 上只有 T9 的發(fā)射極電流，而 R5 上除了來自 T10 的發(fā)射極電流外，還有來自T11 的發(fā)射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5 的 2／ 3。 根據(jù)上式不難看出，要想改變 ΔUBE，可以在調(diào)整 R5 后再調(diào)整 R6，而增大 R5的效果和減小 R6 是一樣的，其結(jié)果都會使 ΔUBE減小，不過，改變 R5 對 ΔUBE的影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正 R5 以進行粗調(diào)，修正 R6 以實現(xiàn)細調(diào)，最終使其在 250℃ 之下使總電流 I 達到 1μA／ K。 V+ R1 R2 T1 T2 T5 T3 T4 C1 T8 T12 T6 T7 T11 T9 R5 R3 12 3. 基本應用電路 圖 37 是 AD590 用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過 AD590 的電流與熱力學溫度成正比，當電阻 R1 和電位器 R2 的電阻之和為 1kΩ時，輸出電壓 V0隨溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應對電路進行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把 AD590 放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2，使V0=+25=（ mV）。但這樣調(diào)整只保證在 0℃或 25℃附近有較高的精度。 圖 37 AD590 應用電路 （ 4）攝氏溫度測量電路 如圖 37 所示，電位器 R2 用于調(diào)整零點， R4 用于調(diào)整運放 LF355 的增益。調(diào)整方法如下：在 0℃時調(diào)整 R2，使輸出 V0=0，然后在 100℃時調(diào)整 R4 使 V0=100mV。如此反復調(diào)整多次，直至 0℃時， V0=0mV， 100℃時 V0=100mV 為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為 25℃，那么 V0 應為 25mV。冰水混合物是 0℃環(huán)境，沸水為 100℃環(huán)境。 （ 5）多路檢測信號的實現(xiàn) 本設計系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，