【正文】 1 摘要 礦用溫度 傳感器是為檢測煤礦井下環(huán)境溫度而研制的，它可以連續(xù)將井下 溫度信號轉換成標準頻率信號傳送給上位機，并具有實時顯示溫度值、超限聲光報警、頻率信號輸出等功能。 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文） （ 說 明 書 ） 題 目： 礦用溫度傳感器設計 姓 名： XXX 學 號 ： 42331001XX 山西 XXXXXX技 術學 院 2020 年 06 月 01 日 山西煤炭職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文） 任 務 書 姓 名 XXXXXX 專 業(yè) 電子信息工程技術 指 導教師 XXXXXX 2020 年 06 月 01 日 山西煤炭職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 （ 論 文）答 辯 委 員會記錄 計算機信息 系 電子信息工程技術 專業(yè) ， 學 生 XXXXXX 于 2020 年 06 月 03 日 進 行了 畢業(yè)設計 （ 論 文）答 辯 。 設計題 目： 礦用溫度傳感器設計 專題 （ 論 文） 題 目： 礦用溫度傳感器設計 指 導 老 師 ： 答 辯 委 員會 根據 學 生提交的 畢業(yè)設計 （ 論 文）材料，根據 學 生答 辯 情 況 ，經 答 辯 委 員會討論評 定， 給 予 學 生 畢業(yè)設計 （ 論 文）成 績?yōu)? 。適宜于井下需設置溫度傳感器的場所固定使用。隨著電子技術的不斷發(fā)展，單片機在電子產品中的應用已經越來越廣泛。 在分析當前國內外溫度傳感器概況的基礎上，結合礦用溫度傳感器 通用技術條件的設計要求，提出總體設計方案，并對系統的理論基礎、實現方法、硬件和軟件設計等做了詳細的討論。軟件程序的編寫使用匯編語言及 KeilC 的集成開發(fā)環(huán)境。 同時，在軟硬件設計時均采取了有效的抗干擾措施。 經過試驗及測試證明：該系統具有可靠性高、功能強等特點，有著廣闊的開發(fā)應用前景。特別是在一些煤礦、高端科研、醫(yī)療領域，對溫度的測量和控制的要求十分嚴格。隨著電子技術的不斷發(fā)展，單片機在電子產品中的應用已經越來越廣泛。 溫度測量在工業(yè)、民用、軍事等領域占有重要的地位。 隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，安全問題日益成為迫切需要解決的首要問題。在并下安全事故中，煤與瓦斯突出、透水與火災是礦井的三大自然災害，其 中因瓦斯引起的事故尤為突出，據煤炭行業(yè)有關專家分析，瓦斯突出與礦井溫度 有著密切的關系，近年來有人探討參考礦井中煤層溫度的變化來預測瓦斯的突出 ： 而且，環(huán)境溫度還對煤礦工人的健康有直接影響，所以 對礦井中重要場所的溫度 進行監(jiān)控在瓦斯災害性事故預測、保障勞動環(huán)境等方面具有重要意義。在工農業(yè)生產和日常生活中，對溫度的測量及控制始終占據著重要位置。目前，溫度傳感器正向著單片集成化、智能化、網絡化和單片系統化的方向發(fā)展。 2 第 2 章 系統總體方案設計 系統設計的整體 原則 在設計一個 礦用溫度傳感器 測量系統時，首先要進行系統的總體方案設計，在設計中一般應考慮以下幾點 。 ?？煽啃灾笜顺丝捎猛瓿晒δ艿母怕时硎就?，還可用平均無故障時間、故障率、失效率或平均壽命等來衡量。在 礦用溫度傳感 器 測量系統的硬件和軟件設計時，不僅要考慮滿足功能要求，還應考慮產品的應用環(huán)境，留有一定的設計余量，以滿足可靠性要求。 對于本課題所要研制的傳感器系統而言，其基本出發(fā)點就是利用現有工藝條件，采用微型計算機處理技術，提高傳感器精度等級和工作穩(wěn)定性，拓展其功能，并賦予其智能化特征，使傳感器不僅能夠實時準確地測量 礦井 環(huán)境溫度，同時盡可能減少不必要的人工操作，提高工作效率。 傳感器 的功能 及使用要求 根據《通用技術條件》第 3節(jié)技術要求，礦用溫度傳感器設計應符合以下的技術條件： ，并應符合國標 GB 3836． 4— 2020 關于本質安全型電路和電氣設備 “ i” 的規(guī)定 (1)環(huán)境溫度： O～ 40℃ ； (2)相對濕度： l00% (3)大氣壓力： 86～ 106Kpa 數字式顯示器 +150℃ 24， 18， 15， 12V(d． c)的條件下應能工作正常 200fllA(d． c) 3 1km ： 200～ 1000Hz(正負脈沖寬度不得小于 O． 3ms)優(yōu)選 根據以上煤礦行業(yè)標準、通用技術條件，以及借鑒國內現有的幾家生產礦用 溫度傳感器的主要技術指標，本系統確定如下的主要設計功能： (1)硬件技術指標要求 (1)適用于煤礦井下采掘工作面、機電硐室等環(huán)境溫度進行連續(xù)實時測量 (2)顯示功能： LED 數碼顯示 (℃ ) (3)測溫范圍： O～ 50℃ (4)測量誤差：≤177。 開發(fā)平臺的選擇 開發(fā)一個單片機應用系統，系統程序的編寫效率在很大程度上決定了目標系統的研制成 效。當然，匯編語言有它的缺點，如不是一種結構化的程序設計語言，可讀性和可移植性較差，程序較難編寫和調試，程序本身的編寫效率較低。另一方面要找到最優(yōu)的定時數值，使程序具有最強的容錯性，此時，選用匯編語言來編寫測溫程序，比選用其它高級語言更為方便。 4 本系統采用德國 Keil 公司的嵌入式 C51 編譯器作為開發(fā)工具。 單片機的選型 隨著電子技術、微電子技術的飛速發(fā)展，微型計算機發(fā)展很快，單片機作為計算機的一個獨特的分支，它是在一塊芯片上集成了多種功能部件所構成的一臺完整的、具有一定功能的單片微型計算機。目前，單片機的生產公司都在努力單片機的性能，如不斷地提高時鐘頻率，可提高 CPU執(zhí)行速度；精簡指令、多級流水線操作方式可提高指令的執(zhí)行速度、擴大尋址能力；不斷地擴大數據存儲器容量， EEPROM 和閃存容量可達 64Kbytes。面向應用對象的多功能多品種的增強型單片機將大大增加。本章主要論述該系統的硬件電路設計。 2．可靠性及抗干擾設計。 3．靈活的功能升級及系統擴展。 根據系統要求及上面 礦用溫度傳感器系統框圖 ，確定系統硬件原理圖。 系統框圖 5 本設計系統的框圖如圖 21所示。 總體方案的選定 就硬件而言，系統選用的設計電路和應用器件，不僅要考慮滿足功能要求， 還應考慮產品的應用環(huán)境，留有一定的設計余量，以滿足可靠性要求。 本文詳細論述了近年來我國煤礦安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統 中主要的溫度傳感器的原理、特點及軟件設計。主程序主要完成系統自檢、初始化及功能模塊子程序調用等功能 ,而功能模塊子程序則對系統各項功能進行具體實現。 第 3 章 各單元電路元件的設 計 溫度傳感器 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度傳感器應用范圍之廣，使用數量之大，也高居各類傳感器之首。 人們研究溫度測量的歷史已經相當久遠，所使用的傳感器也種類繁多。 傳統的熱電偶、熱電阻、 熱敏電阻及半導體溫度傳感器，均屬于分立式溫度傳感器，傳感器本身就是一個完整的、獨立的感溫元件。其主要缺點是外圍電路比較復雜、測量精確度較低、分辨力不高、需進行溫度校準，另外它們的體積較大、使用也不夠方便。模擬集成溫度傳感器是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用 IC，它屬于最簡單的一種集成溫度傳感器。外圍電路簡單。智能溫度傳感器是微電子技術、計算機技術和自動測試技術的結晶，它也是集成溫度傳感器領域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產品。能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器（ MCU）；第二，能以最簡方式構成高性價比、多功能的智能化溫度測控系統；第三、它是在硬件 的基礎上通過軟件來實現測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 鑒于文章介紹的主要方向，以下主要說明分立式溫度傳感器中的熱電偶傳感器。這種由于溫度不同 而產生電動勢的現象稱為塞貝克效應。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質及在接觸點的溫度有關。無論接觸電勢或溫差電勢都是由于集中于接觸處端點的電子數不同而產生的電勢，熱電偶測量的熱電勢是二者的合成。并規(guī)定在冷端，當電流由 A流向 B時，稱 A為正極， B 為負極。定義△ V 對△ T 的微分熱電勢為熱電勢率，又稱塞貝克系數。 目前，國際電工委員會（ IEC）推薦了 8 種類型的熱電偶作為標準化熱電偶，即為T型、 E型、 J 型、 K型、 N型、 B 型、 R型和 S 型。 ，通常采用補償導線將貴金屬熱電偶的冷端延伸至溫度穩(wěn)定處。 其熱電偶使用如圖 32所示。鉑銠絲為正極，純鉑絲為負極。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故 LB 熱電偶的復現精度和測量準確性高，但 LB熱電偶的材料為貴金屬，成本高。 EU熱電偶化學穩(wěn)定性較高，測量范圍為 50— +1312℃。 — 錳白銅熱電偶 它由鎳鉻材料與鎳、銅合金材料組成，符號為 EA。它適用于還原性或中性介質。 5 — 鎢錸 20 熱電偶 它是非標準化熱電偶，鎢錸 5 作正極，鎢錸 20 作負極，一般使用在超高溫場合。 1％。 1％以內。熱電偶誤差參數如表 31所示。 1/0～ 1100 177。 [1+(t1100)]/1100～ 1600 177。 %t/600～ 1700 K N 177。 ～ 333 177。 %t/333～ 1200 E 177。 ～ 333 177。 %t/333～ 900 J 177。 ～ 333 177。 %t/333～ 750 T 177。 1/40～ 133 177。 %t/133～ 350 WRe 177。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。并且引入了 Flash 與 80C51 內核相結合技術。 其主要特性為： MCS51系列單片機完全 兼容 ； 4K 字節(jié) 的 可編程閃爍存儲器 ； 1000 次 寫 /擦循環(huán) ，壽命長； 為 10年 ； 作時的頻率為 0Hz～ 24MHz； 10 8位內部 RAM 可編程 I/O 線 16 位定時器 /計數器 個中斷源 道 A/D 轉換電路及其芯片 經過溫度傳感元件放大后的電壓信號，此信號為模擬信號，單片機機無法接受，故必須進行 A/D 轉換，轉換成數字信號。 ICL7109 主要有如下特性 (精確到 1/212=1/4096)； (典型值為 15μ VPP)； (1μ V/℃ )； (典型值 1012Ω )； (20mW)； 換 速 度 最 快 達 30 次 / 秒 ， 當 采 用 晶 振 作 振 源 時 ， 速 度為 次 /秒； ，外部可接晶振或 RC電路以組成不同頻率的時鐘電路； 位二進制輸出，同時還有一位極性位和一位溢出位