【文章內(nèi)容簡介】 感器 節(jié)點上，單片機 89C52 都接看門狗 復位電路 、 鍵盤和數(shù)碼管等附屬 電路。看門狗 X5045 監(jiān)視單片機的正常運行， 數(shù)碼管用于顯示相應的值 ，鍵盤用于內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 改變報警值等參數(shù)， 修改參數(shù)后能通過 CAN 總線把修改的參數(shù)上傳給上位機 。 在 CAN 總線中，系統(tǒng) 通過 CANRS232 轉接接口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機。上位 機接收 CAN總線上的壓力 數(shù)字 信號 和溫度 數(shù)字 信號 ， 經(jīng) 處理后 存儲到數(shù)據(jù)庫并實時顯示 ,同時可以調(diào)出歷史數(shù)據(jù)進行顯示 ， 也可以遠程在線修改下位機的參數(shù)。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 溫度傳感器節(jié)點 本節(jié)點通過兩 個 傳感器采集溫度信號， 并通過放大電路放大信號 ，經(jīng) A/D 轉換送到單片機中進行處理后送顯示 ； 每隔一定時間把采樣 數(shù)字信號 經(jīng) CAN 總線 通信，在 上位機 顯示 ；通過鍵盤可以更改上、下限報警值和熱電偶線性化的折點坐標。 本章主要介紹溫度傳感器節(jié)點， 其它部分在后續(xù) 章節(jié)中將有詳細 介紹 。 熱電偶及其放大電路 熱電偶測溫原理 熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉換為電勢變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應用最廣泛的測溫元件之一。其主要優(yōu)點是測溫范圍廣，精度高、性能穩(wěn)定、結構簡單、動態(tài)性能好，把溫度轉換為電勢信號便于處理和遠距離傳輸 [5]。 熱電偶把兩種不同的金屬 A 和 B 構成一個閉合電路，當兩個接觸端溫度不同，即TT0 時 ,回路中會產(chǎn)生熱電勢 EAB(T,T0),如圖 所。 ABE A B ( T , T 0 )T T 0 圖 熱電偶原理圖 由于不同的金屬材料內(nèi)部的自由電子密度不相同，當兩 種金屬材料 A 和 B 接觸時，自由電子就要從密度大的金屬材料擴散到密度小的金屬材料中去，從而產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象，如圖 所示。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 電 動 勢 e A B ( T )+_ABT 圖 熱電偶接觸熱電勢示意圖 當金屬材料 A 的自由電子密度比金屬材料 B 大，則有自由電子從 A 擴散到 B，當擴散達到平衡時，這樣金屬材料 A 失去電子帶正電荷，而金屬材料 B 得到電子帶負電荷。這樣，在 A， B 接觸處形成一定的電位差，這就是接觸電勢（也叫帕爾帖電勢），其大小可表示為 BAAB NNekTTe ln)( ? （ ） 式中， )(TeAB 為電極 A 和電極 B 在溫度為 T 時的接觸電勢； k 為玻耳茲曼常數(shù)； T為接觸面的絕對溫度； e 為單位電荷量 ； AN 、 BN 分別為金屬電極 A 和 B 的自由電子密度。 熱電偶的種類及結構形成 常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱 電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系 、 允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。 S、 B、 E、 K、 R、 J、T 七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型 標準 熱電偶 [5]。 K 型（鎳鉻 —鎳硅） 是 使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和。其使用溫度 0～ 1300℃。優(yōu)點是線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性 較 好，抗氧內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 化性強，價格便宜。能用于氧化性和惰性氣 氛中。但 K 型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。 熱電偶的選擇及其放大電路 本設計選用 K 型熱電偶作為測溫元件。其分度表如下： 表 K 型熱電偶分度表 溫度 （℃） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 熱電動勢（ mV） 0 100 200 300 400 500 600 圖 是由表 得到的 K 熱電偶溫度和輸出熱電勢關系圖。 由表 和圖 可知，K 型熱電偶輸出的是毫伏電壓信號，而單片機采樣接收的是標準的電壓信號，所以必須把毫伏電壓信號放大成 0~5V的標準電壓信號。在設計模擬放大電路時 ,必須考慮電路的零點漂移、 抗 干擾等問題。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 熱 電 勢/ m v051 51 0溫 度 / ℃1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 02 01 6 . 3 9 54 8 8 圖 K 型 熱電偶溫度 輸出熱電勢關系圖 放大電路如圖 所示： 圖 K 熱電偶放大電路 如圖所示， INP+接熱電偶 的正極， INP接熱電偶的負極， R22 起上拉電阻的作用，內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 電容起到濾波抗干擾的作用。 放大器為高阻態(tài)運算放大器。 RW4 電位器用于零位調(diào)節(jié)。RW5用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。由圖可求出放大電路的放大倍數(shù) 30010*5 ?? WRH （ ） 式中 RW5為接入電阻，單位為 kΩ。本設計采集的溫度為 0 到 400℃， K 熱電偶對應產(chǎn)生的熱電勢為 0 到 ，而 A/D 轉換的輸入電壓為 0 到 5V，所以放大倍數(shù)為 30 539 00 ??H （ ） 從 而 RW5=。 熱電偶的冷端溫度補償 熱電偶的冷端溫度補償方法 由熱電偶測溫公式可知，熱電偶的熱電勢大小不僅和熱端溫度有關，還和冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定的時， 才能通過測量熱電勢的大小得到熱端溫度。 當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用冷端溫度補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為 0℃ 。 這就是熱電偶的冷端處理和補償 [5]。 常用補償方法如下： 1． 補償導線法：補償導線在 100℃以下的溫度范圍內(nèi)，具有與熱電偶相同的熱電特性，用它連接熱電偶可以起到延 長熱電偶冷端的作用。 2． 熱電偶冷端溫度恒溫法：這種方法就是通過一定的方法把熱電偶的 冷端 溫度保持在恒定的溫度，一般為 0℃。由于這種方法特別麻煩，在工業(yè)生產(chǎn)中不適用，目前這種方法只在實驗室的精確測量和檢定熱電偶時使用。 3． 冷端補償電橋法：這種方法是利用直流不平衡 電橋 產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。補償電橋的 4 個橋臂中有一個臂是銅電阻作為感溫元件，其余 3 個臂由阻值恒定的錳銅電阻制成。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 4． 軟件計算修正法：在實際應用中，熱電偶的參比端往往不是 0℃，而是環(huán)境溫度T1，這時測量出的回路熱電 勢比實際溫度對應的熱電勢要偏小，因此必須加上環(huán)境溫度T1 與冰點 T0 之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶的分度表的要求。 根據(jù)連接導體和中間溫度定律則有 )0,(),()0,( 11 TETTETE ?? （ ） 可以用室溫計測出環(huán)境溫度 T1，從分度表查出 E（ T1,0）的值，然后加上熱電偶回路熱電勢 E（ T,T1），得到 E（ T,0）值，反查分度表即可得到準確的被測溫度 T 值。 本設計采用軟件計算修正的方法來實現(xiàn)熱電偶的冷端溫度補償。 AD590 及其放大電路 由上一小節(jié)可知 ，軟件修正法中必須知道冷 端 溫度，所以必須 測量 冷端溫度，本設計用 AD590 傳感器采集冷端溫度。 AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。 AD590 溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點。 AD590 的外部形狀及管腳如圖 所示。 圖 AD590 外型管腳圖 它的主要特性如下： 流過器件的電流（ mA） 等 于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即： 1?TIr mA/K 其中 Ir 流過器件（ AD590）的電流，單位為 mA； T為 熱力學溫度，單位為 K。 AD590的測溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。 AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V， 輸出電阻為 710M。精度高。 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被損壞。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M五檔，其中 M檔精度最高，在 55℃ ～ +150℃ 范圍內(nèi)， 非線性誤差為177。 ℃。 1KR823647185U1A+1212R1410KR1920KR201KRW3R1510KRW1D1ALM3361KR9VCC1KR11R1310KRW223647185U2A10KR1820KR21J3CON1J4CON1J5CON1+12+121212R1723647185 U3ACH1_AD590+5+ 圖 AD590 放大電路 如圖 所示， AD590 的放大電路采用三運放差分放大電路。 放大器的第 I級由 U1A和 U2A 等 器件 組成，主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。第 II 級主要由 U3A 等器件組成，采用差動電路用以提高共模抑制比。 圖中是將 U1A、 U2A 兩個同相輸入運放電路并聯(lián)，再與 U3A 差分輸入串聯(lián)的三運放差分放大電路，根據(jù)虛短、虛斷的概念，不難分析 U1A、 U2A 前置放大電路僅對差模信號有放大作用，差模放大倍數(shù)為（ RW3+R15+2R14） /（ RW3+R15） 倍。 U1A、 U2A提高了差模信號與共模信號之比，即提高了信噪比 。 電路的另一個特點是對共模輸入信號沒有放大作用，共模電壓 增益接近于零。這個因素不僅與實際的共模輸入有關，而且也與 U1A 和 U2A 的失配電壓和漂移有關。 當 U1A內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 和 U2A 有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作為共模信號出現(xiàn)，沒有被放大，還能被第二級抑制。這樣對于 U1A 和 U2A 的漂移要求就會降低。 U1A 和 U2A 前置放大級的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級的漂移和共模誤差就可以忽略，對放大器的要求就可以大大降低。當 R18=R19， R20=R21時，兩級的總增益為兩個差模增益的乘積，即： )(*))R(R)2RRR((A v d 182115W31415W3 RR???? （ ） 代入 電阻的阻值，可得 302 WRAvd ??? （ ） 式中的 RW3為接入電阻。 在被測溫度一定時， AD590 相當于一個恒流源，把它和 5～ 30V 的電源相連，并在輸出端串接一個 1kΩ的恒值電阻 R8，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。 通過 R8的取壓，在放大器 U1A 的正輸入端產(chǎn)生對應的電壓。通過 RW1和 RW2的調(diào)節(jié)，可在 U2A 的正輸入端產(chǎn)生 。相當于 0℃時， AD590 在 1K 負載 上產(chǎn)生的電壓。 調(diào)節(jié)三運放的 RW3，使 Avd=50， RW3的接入電阻 約 為 525Ω時 ， 經(jīng)過 三運放差分放大電路后，輸出的電壓與溫度的關系為 50mV/℃，即測量溫度為 0℃時，輸出為 0V，測量溫度為 100℃時，輸出為 5V。從而實現(xiàn)線性放大的目的。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 壓力傳感器節(jié)點 壓力傳感器節(jié)點采集兩路壓力信號，轉化成電壓信號并放大成標準的電壓信號，經(jīng)A/D轉換送到單片機中進行處理并顯示。每隔一定時間把采樣值送 CAN總線接口與 CAN總線通信，最終送上位機。并可以通過鍵盤更改上、下限報警值和壓力的測量范圍。 壓力傳感器及其測溫原理 本設計采用的是 美國 MOTOROLA 公司的 MPX53DP 擴散型壓阻式 壓力傳感器， 輸入信號為差壓信號，正端接待測壓力，負端與大氣相通。該傳感器具有體積小，結構簡單，動態(tài)性能好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應高，便于生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點。 因此，它是一種目前比較理想 的壓力傳感器。 MPX53DP 壓力傳感器的核心部分是一塊圓形硅膜片，在膜片上，利用擴散工藝設置有 4 個阻值相等的電阻，用導線將其構成平衡電橋。膜片的四周用圓環(huán)（硅杯）固定，膜片的兩邊有兩個壓力腔，一 個是與被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，一般與大氣相通。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片各點產(chǎn)生應力。 4 個電