【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。目前主要是指采用多種現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng) (互聯(lián)網(wǎng) )，這要按各行業(yè)的特點(diǎn)，選擇其中的一種或多種，近年內(nèi)最流行的有 FF、 Profibus、 CAN、 LonworkS、 AS—imerbus、 TCP／ IP。除 MEMS 外，新型傳感器的發(fā)展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術(shù)，如新一代光纖傳感器、超導(dǎo)傳感器、焦平面陳列紅外探測(cè)器、生物傳感器、納米傳感器、新型盆子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)正在形成熱點(diǎn)，它形成于 20 世紀(jì) 80 年代，它不同于一般信號(hào)處理，也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)和測(cè)量，而是對(duì)基于多個(gè)傳感器測(cè)量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能 進(jìn)一步集成以至于融合，這是必然的趨勢(shì)。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義概括為：把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補(bǔ)，降低其不確定性，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、決策層融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn)，即容錯(cuò)性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí) 性、經(jīng)濟(jì)性，所以逐步推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，還適用于自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人、海洋監(jiān)視、地震觀測(cè)、建筑、空中交通管制、醫(yī)學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述及發(fā)展現(xiàn)狀 信息社會(huì)的發(fā)展，在很大程度上取決于信息與信號(hào)處理技術(shù)的先進(jìn)性。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的出現(xiàn)改變了信息與信號(hào)處理技術(shù)的整個(gè)面貌，而數(shù)據(jù)采集作為數(shù)字信號(hào)處理的必不可少的前期工作在整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中起到關(guān)鍵性、乃至決定性的作用，其應(yīng)用已經(jīng)深入到信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域中。數(shù)據(jù)采集技術(shù) (Data Acquisition)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究 信息數(shù)據(jù)的采集、存貯、處理以及控制等作業(yè)。將被測(cè)對(duì)象的各種參量檢測(cè)采集后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理，這一過程稱為“數(shù)據(jù)采集”。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可分為集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，前者的特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與控制，上位機(jī)與被測(cè)對(duì)象的位置較進(jìn)，時(shí)實(shí)性強(qiáng)，適用于上位機(jī)與被測(cè)對(duì)象距離較短目標(biāo)采集，速度要求較高的場(chǎng)合。后者對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)進(jìn)行處理后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，適用于 對(duì)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 8 任務(wù)：采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為微處理器，以此來測(cè)量各種參數(shù)的大小，并將測(cè)量值通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。采用這種設(shè)計(jì)，系統(tǒng)制造簡單、成本低。本文就介紹了一種以 MSP430 單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)， Pt 膜溫度傳感器的參數(shù)經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換后成為可測(cè)量的參數(shù)，傳給上位機(jī)完成 Pt膜溫度傳感器性能參數(shù)的測(cè)量。 本課題研究的內(nèi)容 （ 1） 通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解數(shù)字溫度計(jì)的發(fā)展歷程，對(duì)數(shù)字溫度計(jì)的現(xiàn)狀，技術(shù)水平和發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)和了解； （ 2） 研究溫度傳感器的理論原理和發(fā)展應(yīng)用； （ 3） 研究溫度的采集過程，將微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，及其通過單片機(jī)處理過后怎樣將溫度顯示出來； （ 4） 研究由于溫度與電阻值的非線性變換，采用怎樣的校正電路進(jìn)行校正。 2 總體設(shè)計(jì)方案 提出總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)數(shù)字溫度計(jì)題目的 要求，提出以下幾種方案： 方案一： 采用了最簡單的方式，就是將傳感器輸出的信號(hào)，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后直接顯示。 方案二： 采用 MAXIM 公司生產(chǎn)的 DS18B20 來采集溫度， DS18B20 是采用 1— wire 總接口的數(shù)字溫度計(jì)，測(cè)量溫度范圍為 55℃ — +125℃，精度可達(dá)到 0。 0675℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 200ns。這器件可用一根引與處理器相連，以串行方式將數(shù)據(jù)送到處理器，經(jīng)處理器處理后直接顯示。 傳感器 D/A 顯示器 DS18B20 單片機(jī) 顯 示 9 方案三： 采用 pt100 熱電阻作為溫度采集的傳感器，把采集到的溫度直接送到 atmega16 單片機(jī)，經(jīng)過 atmega16 單片機(jī)處理后送到顯示器，顯示器將顯示采集的溫度， 總體設(shè)計(jì)方案論證 四種方案的比較 （ 1）控制部分 方案二、三都采用了單片機(jī)作為控制，作為一種新型的微處理器，可以通過智能編程的方式，可以進(jìn)行擴(kuò)展，而且能夠具有超溫報(bào)警和自動(dòng)控制功能。而方案一沒有采用控制，直接把溫度顯示出來就完了。這樣就只能完成對(duì)溫度的顯示。 （ 2）傳感器部分 方案一、三的傳感器可以選一樣，可以選熱敏電阻和其它的傳感器，但我們這里選用了pt100。方案二采用的傳感器 是 DS18B20，這種傳感器雖然硬件簡單，但是成本較高。所以沒有采用這種傳感器。 （ 3）顯示部分 方案一采用的是一種將十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成七段碼的 ADC，可以采用 ICL7106 來將采集到的溫度進(jìn)行顯示，這種方案很簡單，但是它的可控性很差，只能進(jìn)行顯示。方案二、三都是采用了單片機(jī)在內(nèi)部遠(yuǎn)算之后，才由顯示部分顯示出來。 在上面幾種方案中，雖然它們各自有自已的優(yōu)點(diǎn)，特別是第二種方案，它的硬件很簡單，只要把程序?qū)懞?，就能夠運(yùn)行了?？墒菫榱藢W(xué)的知識(shí)系統(tǒng)的組合起來，我選擇第三種方案，此方案不僅用到了單片機(jī)，還用到了 模電和數(shù)點(diǎn)知識(shí)。系統(tǒng)很容易進(jìn)行擴(kuò)展。 3 鉑電阻理論基礎(chǔ) 鉑電阻的選取 早在十九世紀(jì)末，人們就開始使用電阻法進(jìn)行溫度測(cè)量。 1871年西門子 (C． w． Simens)鍵盤 Pt100 溫度傳感器 單片機(jī) 顯示 鍵盤 放大器 10 把鉑絲繞在粘土上，然后再套上鐵管構(gòu)成電阻感溫元件，作為測(cè)溫的工具。直到今天，鉑電阻依舊是國際實(shí)用溫標(biāo)中的一種重要的內(nèi)插儀器。它的下限溫度已經(jīng)延伸到平衡氫三相點(diǎn)溫度 ()，并且人們還在努力把它的上限點(diǎn)提高到銀的凝固點(diǎn) (+176。C)或金的凝固點(diǎn)(+176。C)，并用它來替代精確度稍差的鉑鐒一鉑標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 鉑電阻的特點(diǎn) 任何物體的電阻都與溫度有關(guān)，因此，都可以用它們來測(cè)量溫度．但能滿足實(shí)際要求的不多．因?yàn)閷?shí)際溫度測(cè)量元件不僅要求有較高的靈敏度而且要求有較高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，金屬熱電阻是最普遍的一種，其最大的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，以鉑電阻的精度最高．它不僅廣泛用于工業(yè)測(cè)量，更重要的事它還能制成標(biāo)準(zhǔn)的和基準(zhǔn)的溫度計(jì)．鉑熱電阻的特點(diǎn)為： （ 1） 有較高的電阻一溫度系數(shù) ? ， ? 表示為 11..dR dRR dt R dt? ? ? （ ） 式中， R為熱電阻的阻值， dR/dt為熱電阻的電阻值隨溫度的變化率．一般電阻溫度系數(shù)與金屬的純度有關(guān)，金屬愈純則 ? 值愈大，電阻與溫度的關(guān)系并非線性關(guān)系，故多用溫度 R100和 R0的電阻比值 RIOO／ Ro代表 0176。C 一 100176。C之間的平均溫度系數(shù)，如 ??pt= 103[1/K] ??Cm= 103[1/K] ??Nt= 103[1/K] （ 2）材料的電阻率大．這樣可以是熱電阻的體積做得更小，測(cè)溫時(shí)的熱慣性也?。毫硗怆娮杪瘦^大時(shí)，可用較短較粗的金屬絲制造 R0值較大的熱電阻體，從改善機(jī)械性能和穩(wěn)定性．如在 0176。C時(shí)，則 ? pt= 108[? .m] ? Cm= 108[? .m] ? Nt= 108[? .m] （ 3）已得到高純材料，易提純，復(fù)制性好，互換性好。 （ 4）滿足對(duì)溫度傳感器的基本要求．如靈敏度大，線性好，復(fù)現(xiàn)性高，響應(yīng)時(shí)間小，價(jià)格便宜，物理化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 鉑電阻的結(jié)構(gòu)和性能 鉑電阻常用的有兩種：桿式和囊式。桿式的上限溫度很高可使其溫度范圍在 183176。C—630176。C和 O176。C— 1100176。C，分別稱為中溫鉑電阻和高溫鉑電阻。囊式鉑電阻的下限溫度低，可使用于 263176。C— +200176。C，所以有稱為低溫鉑電阻。而在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的銅鉑電阻的測(cè)溫范圍為 50176。C— +100176。C (線性較好的溫度范用 )。常見的鉑熱電阻是桿式鉑電阻，它是由鉑絲、 11 絕緣架和保護(hù)套管組成。鉑熱電阻通常用直徑為 ～ 177。 成。鉑絲的直徑大小將直接影響鉑電阻的強(qiáng)度和它的熱惰性的大小，同時(shí)，由于鉑是貴金屬，也影響其成本。鉑絲粗則強(qiáng)度好，熱惰性大，成本就高。鉑電阻應(yīng)采用無應(yīng)力結(jié)構(gòu)，也就是說，鉑絲受熱膨脹或冷卻時(shí)都不受支架的約束。因?yàn)榻饘俚碾娮枧c溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬中的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)改變它的電阻～溫度特性。此外，鉑電阻一般是采用無感繞制的，要盡可能地減 d、電阻中的電感值。 熱電阻的電阻值不僅和制造熱電阻的材料和導(dǎo)線的物理形狀有關(guān)同時(shí)也和溫度有關(guān)系．即它不僅和 p、 L、 S有關(guān)還和溫度有關(guān)。當(dāng)不考慮溫度的影響時(shí)，導(dǎo)體的電阻值 R可以用下面的關(guān)系式表示： LR S??? （ ） 式中 ? — 電阻率（ c