【文章內(nèi)容簡介】 精度和穩(wěn)定性的問題 13 本文的主要研究內(nèi)容 本課題的主要任務是研制一種智能的溫度數(shù)據(jù)采集器由 4 路傳感器實現(xiàn)不同地點的溫度數(shù)據(jù)的采集并通過一定的處理之后進入單片機進行數(shù)據(jù)溫度的采集儲存和顯示主要解決以下內(nèi)容 1．對 4 處不同的測試點巡回檢測其溫度進行集中管理集中控制 2．在測量范圍內(nèi)可以正常顯 示 3．采用少量鍵盤來控制可以進行位置溫度的顯示選擇 4．系統(tǒng)要有較強的抗干擾性能 5．有較高的分辨率極好的可維護性 2 系統(tǒng)的總體設計 在本章的設計中將進行系統(tǒng)的總體方案設計以便在后續(xù)章節(jié)中選擇合適的單片機及外圍芯片完成具體的硬件電路設計總體設計應考慮以下幾點 1 從整體到局部的設計 2 經(jīng)濟性要求 3 可靠性要求 4 操作和維護的要求 21 系統(tǒng)的總體設計思想 不同的控制對象和不同的要求應該有不同的設計思想本系統(tǒng)實際上是一個專用的單片機系統(tǒng)儀表內(nèi)部除單片機以外的其他部分均可以看作是單片機的外設部分 在本系統(tǒng)中 CPU 在溫度采集和處理時主要是對溫度值進行巡回檢測數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計和整理從這一點出發(fā)可以作出總體設計思路圖 2－ 1 圖 2－ 1 總體設計思想圖 溫度經(jīng)多采樣轉(zhuǎn)換后以數(shù)字形式進入 CPU利用 CPU具有運算邏輯判斷能力速度快等 特點在它內(nèi)部可以對這些輸入數(shù)據(jù)進行必要的集中加工和處理在溫度參數(shù)的測量和記錄中則代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表對整個環(huán)境溫度進行集中監(jiān)視 22 方案論證與選擇 設計方案的不同將直接決定儀表硬件的繁簡程度從而確定軟件的不同編寫思路 16 路溫度巡檢儀應對各種的溫度進行檢測所以它是一個實時檢測 系統(tǒng)在設計時應考慮以下幾個方面 1 應保證前向的溫度傳感電路的精確度靈敏度電路結(jié)構(gòu)的合理性 2 這個系統(tǒng)要具備一定的抗干擾能力應在硬件和軟件上引入各種抗干擾的措施以增強它的穩(wěn)定性和準確性 3 系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)的可實行性根據(jù)以上要求硬件電路有以下幾個方案可供選擇 2 21 溫度采樣和測試部分 第一種方案使用在溫度測控領域有廣泛應用的二端式半導體集成溫度傳感器 AD590LM35 等將采集到的電流信號經(jīng)多路 AD 轉(zhuǎn)換器送入單片機由單片機控制數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換以 AD590 為例它的測溫范圍是－ 55～＋ 150℃工作電壓是＋4～＋ 30V 由于 AD590 是一種電流型的溫度傳感器因此具有較強的抗干擾能力適用于計算機進行遠距離溫度測量和控制遠距離信號傳遞時可以采用一般的雙絞線來完成其電阻較大因此不需要精密電源對其供電長導線上的壓降一般不影響測量精度不需要溫度補償和專門的線性電路 第二種方案選用先進的數(shù)字式溫度傳感器將采集到的數(shù)字式信號直接送入單片機進行處理隨著傳感器技術(shù)的反展已經(jīng)出現(xiàn)可先進的數(shù)字式溫度傳感器這種方案中的溫度傳感器兼有測溫和 AD 轉(zhuǎn)換的功能輸出值是數(shù)字信號所以不必使用 AD 轉(zhuǎn)換器和相關的接口芯片能夠直接進入單片機進行數(shù)字信號處理硬件 電路非常簡潔有較好的線性關系和較強的抗干擾能力同上方案相比有明顯的優(yōu)勢和廣泛的開發(fā)前景但是測溫范圍較小一般在－ 50～＋ 150℃之間 第三種方案各測試點的溫度值經(jīng)過測溫元件熱電偶熱電阻等被轉(zhuǎn)化為電信號這樣得到的多路采樣信號經(jīng)濾波器放大器多路開關及 AD 轉(zhuǎn)換電路由單片機控制通道 AD轉(zhuǎn)換實時對電壓信號進行采樣和 AD轉(zhuǎn)換這種方案是單片機處理非電量信號的典型方法它的優(yōu)點是測溫范圍廣選用合適的測溫元件可以檢測－ 300℃～3000℃的溫度 由于本課題的溫度巡檢儀主要是面向較高溫度所以前面兩種方案由于測溫范圍的限制我們將 采用第三種方案而且第三種方案是比較成熟的技術(shù)在實現(xiàn)上也比較容易 ．顯示器 單片機應用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器簡稱 LED Light Emitting Diode 液晶顯示器簡稱 LCD Liquid Crystal Display 和 CRT 顯示器 LED 的發(fā)光頻率和顏色取決于制造的材料一般常用紅色偶爾也用黃色或綠色發(fā)光二極管 LED 是智能化測量控制儀表中簡單而常用的輸出設備通常用來指示機器的狀態(tài)或其他信息它的優(yōu)點是耗電省配置靈活接口方便價格低壽命長對電流電壓的要求不高及容易實現(xiàn)多 路等因而在智能化測量控制儀表中獲得了廣泛的應用 LCD 是一種被動顯示器它本身并不發(fā)光只是調(diào)節(jié)光的亮度目前常用的 LCD是根據(jù)液晶的扭曲－向列效應原理制成的可得到黑底白字或白底黑字的顯示形式對于采用電池供電的便攜式智能化測控儀表考慮到低功耗的要求常常需要采用液晶顯示器它體積小重量輕功耗極低因此在儀器儀表中的應用十分廣泛但是必須借助外來光顯示 CRT 顯示器可以進行圖形顯示但是接口較復雜成本也較高 在 16 路溫度巡檢儀中只需要顯示 5 位數(shù)字形式的溫度和路數(shù)可以不必使用價格較高的 CRT四位 LED的工作電流位 240mA左右由于使用交流電源供電足以提供 LED 顯示器所需要的功率對于 LED 而言僅有五位體積也很小這樣比較 LED和 LCD 的諸多特點本系統(tǒng)選擇 LED 顯示器 鍵盤是一組按鍵的組合它的主要作用是控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)和命令有編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩類 編碼式鍵盤除了按鍵之外還包括了產(chǎn)生鍵碼的硬件電路去抖動電路和多鍵竄鍵保護電路每按下一個鍵能自動產(chǎn)生這個鍵的鍵碼與此同時產(chǎn)生一個脈沖信號通知 CPU 接收這種鍵盤使用方便接口程序簡單但是需要較多的硬件電路價格較貴一般的單片機應用系統(tǒng)較少使 用 非編碼式鍵盤僅由排成行列矩陣形式的按鍵組成按鍵的作用只是簡單的實現(xiàn)接點的接通或斷開鍵的去抖動鍵的編碼的形成和鍵識別等均由軟件來完成由于它經(jīng)濟實用在單片機應用系統(tǒng)中廣泛采用 經(jīng)過以上對比可以采用非編碼式鍵盤 23 系統(tǒng)設計的技術(shù)關鍵 根據(jù)以上所述的總體設計思想設計中需解決的技術(shù)關鍵性問題是 這種巡檢儀的檢測點有十幾個所以在傳感器的選擇和使用上要求盡量的消除誤差并盡量使使用方便 為保證本系統(tǒng)高可靠性的運行儀器本身要具備很強的抗干擾能力為此應在硬件及軟件設計上引入各種抗干擾措施特別是系統(tǒng)中傳感器采集的數(shù)據(jù)的 放大和濾波處理就顯得尤為重要 由于硬件電路上沒有線性化及冷端補償措施那么軟件勢必功能很強大在軟件設計時也應尋找盡可能簡單完善的思路保證程序易于修改調(diào)試 3 系統(tǒng)的硬件設計 31 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 根據(jù)上一章所選的總體方案確定的思路下面將進行具體的系統(tǒng)硬件電路的設計系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖見圖 3－ 1 圖 3－ 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 溫度傳感器主要用來進行溫度信號的采集并經(jīng)過濾波和放大電路以后送入多路開關經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)化器之后變成數(shù)字信號進入單片機并在單片機內(nèi)完成對熱電阻信號的 溫度線性化數(shù)字式溫度傳感器 AD590 主要是采集每個測試熱電偶所對應的環(huán)境溫度并在其內(nèi)部將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機用來進行對熱電偶進行冷端溫度補償 鍵盤在本系統(tǒng)種是操作員控制巡檢儀的唯一途徑是安裝調(diào)試的必備手段當希望更改當前的顯示路數(shù)時就可以通過鍵盤來選擇 穩(wěn)壓電源為單片機溫度傳感器放大濾波器多路開關 AD 轉(zhuǎn)換器等提供直流電壓 32 溫度巡檢儀的硬件構(gòu)成 片機 目前國內(nèi)市場上可供選擇的單片機的類型有很多種以 MCS－ 51MCS96 為主流系列其中 MCS51 系列性能價格高開發(fā)用的仿真機研究 較早并日趨完善生產(chǎn)廠家較多支持芯片種類繁多適合不同應用場合的新機種不端涌現(xiàn)使得 MCS51 系列單片機在國內(nèi)成為開發(fā)中小型嵌入式系統(tǒng)的首選 在我國最受歡迎的 8位機要 Philips公司的 80C51及其系列產(chǎn)品因其具有體積小功能全和價格低等一系列優(yōu)點所以在本設計中我選擇了 8751 具體來說它有如下一些優(yōu)點 最適于控制用的 8 位 CPU 強化的布爾單位邏輯能力 32 位可按位尋址的雙向 IO 線 128 個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 兩個 16 位的遞增定時計數(shù)器 全雙工的通用異步接收發(fā)送器 兩個優(yōu)先級別的五源中斷結(jié)構(gòu) 片內(nèi)時鐘振蕩 器 4K 字節(jié)片內(nèi)程序存儲器 64 字節(jié)程序存儲器地址空間 64K 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器地址空間 有片內(nèi)的 EPROM 溫度傳感器及接口電路 1 熱電阻利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器它主要用于對溫度和與電阻有關的參量進行技能型檢測按熱電阻的性質(zhì)分可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類前者通常稱為熱電阻后者稱為熱敏電阻熱電阻是由電阻體絕緣套管和接線盒等主要部分組成的其中電阻體是熱電阻的最主要部分 A．鉑電阻 鉑電阻的特點是精度高穩(wěn)定性好性能可靠這是因為鉑在氧化性介質(zhì)中特別是在高溫下其物理化學性質(zhì)都非常穩(wěn)定 在 1927 年就把鉑電阻作為復現(xiàn)溫標的基準器當前仍是作為精密溫度計的一種主要傳感器 制作測溫電阻的材料鉑當其純度≥ 99999 時是最佳的材料它有以下的優(yōu)點①純度越高電阻溫度特性越穩(wěn)定②純度越高電阻的溫度系數(shù)越高 目前國內(nèi)主要生產(chǎn)的兩種型號的鉑電阻 R＝ 46177。 0046C t100℃ ] 32 這里 A＝ 396847℃ B 5847 C 422 當溫度為 0℃以上且較低時可近似的表示為 Rt R1＋ at℃ 用鉑電阻測溫的基本誤差為 － 200℃～ 0℃時 △ t 177。 03℃ 6 t 34 0℃～ 650℃時 △ t 177。 03℃ 45 t 35 B．銅電阻 由于銅電阻隨溫度變化而引起的變化值較小例如鉑電阻在零溫度時的阻值R＝ 100 歐銅電阻在零溫度時的 R＝ 50 歐因此在傳感器與測量儀器之間的引線過長會引起較大的測量誤差在實際應用時通常使熱電阻或放大器采用兩線三線或四線制的接線形式兩線制的引線電阻銅電阻不得超過 R 的 02％鉑電阻不超過 R的 01％采用 三線制四線制可消除連接引線過長而引起的誤差 ①二線制接法二線制接法如圖 3－ 2 所示 圖 3－ 2 熱電阻的二線制解法 R2 和 R3 是固定電阻電阻值較大且 R2 R3R1 是為保持電橋平衡而選用的調(diào)零電位器 Rt 為熱電阻 R4R5 為導線等效電阻 假設 R4 R5 rR1 與 R2 電阻值相對 R2R3 電阻值較小可以認為 I1 I2 I 恒流源 V I1 R4Rtr I rRtr IRt2Ir 36 V I2R1 IR1 37 因此 V0 IRt2IrIRt I RtR1 2Ir 38 當 r 不為零時可能產(chǎn)生較大的誤差 ②三線制接法三線制接法如圖 3－ 4 所示該電路是最實用的精確測量方式 圖 3－ 3 熱電阻的三線制接法 R4R5 和 R6 為導線電阻假設 R4 R5 R6I1 I2 I 恒流源 V I1 R4Rt I1I2 R6 I rRt II IRt3Ir 39 V I2 R1R5 I1I2 R6 I R1r II r IR13Ir 310 V V VV IRt3IrIR13Ir I RtR1 311 式 3－ 811 與導線電阻沒有關系實現(xiàn)了精確測量 綜上所述經(jīng)比較我選擇了鉑電阻作為熱電阻傳感器并且采用了三線制接法來消除導線的誤差 2 熱電偶熱電偶是溫度測量中使用最廣泛的傳感器之一其測量溫區(qū)寬一般在 －