【正文】 ..43參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................44致謝 .........................................................................................................................................47附錄A系統(tǒng)總電路圖 ............................................................................................................48附錄B系統(tǒng)總程序................................................................................................................49 第一章 緒 論 課題背景二十一世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息電子化的時代，隨著人類探知領(lǐng)域和空間的拓展，使得人們需要獲得的電子信息種類日益增加，需要信息傳遞的速度加快，信息處理能力增強(qiáng)，因此要求與此相對應(yīng)的信息采集技術(shù)——傳感技術(shù)必須跟上信息化發(fā)展的需要。它是人類探知自然界信息的觸覺，為人們認(rèn)識和控制相應(yīng)的對象提供條件和依據(jù)[1]。在信息化社會，幾乎沒有任何一種技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠離得開傳感器和信號探測技術(shù)的支持。傳感器技術(shù)是一項當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。傳感器技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、材料科學(xué)等眾多科學(xué)相互交叉的綜合性高新科技技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防科研、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害預(yù)測預(yù)防、農(nóng)業(yè)、機(jī)器人、家電等各個領(lǐng)域，可以說幾乎滲透到人類活動的各個領(lǐng)域。其測量控制一般應(yīng)用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。金屬鉑的電阻值隨溫度變化而變化基本成線形關(guān)系，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，測量精度高，是目前公認(rèn)制造熱電阻的最好材料。 國內(nèi)外研究的發(fā)展及現(xiàn)狀二十一世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息電子化的時代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一的傳感技術(shù)，將是二十一世紀(jì)世界各國在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個重要領(lǐng)域，其水平高低是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之二。八十年代以來，西方國家一直將此列為重點(diǎn)發(fā)展高新技術(shù)。目前全行業(yè)正在執(zhí)行“十一五”計劃，MEMS等5項新型傳感器已列入研究開發(fā)的重點(diǎn)。傳感器作為信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。同時多種高精度、高分辨力的溫度傳感器已在相繼推出與研制。轉(zhuǎn)換時間分別僅為27us。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：1．傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；2．模擬集成溫度傳感器／控制器；3．智能溫度傳感器。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在二十一世紀(jì)九十年代中期闖世的。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器、隨機(jī)存取存儲器和只讀存儲器。進(jìn)入二十一世紀(jì)后智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、‘開發(fā)基于傳感器硬件和計算機(jī)平臺、并通過軟件開發(fā)而成的，利用軟件可完成傳感器的標(biāo)定及校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)的虛擬傳感器和包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展”工業(yè)設(shè)備在制造過程及整機(jī)性能測試中離不開各種機(jī)械量和幾何量，有些工業(yè)設(shè)備在運(yùn)行中還要經(jīng)常對多種物理量進(jìn)行檢測或監(jiān)視，實(shí)際生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中還會遇到化學(xué)量、生物量(包括醫(yī)學(xué))，而所有這一切，從信號工程的角度來看，都需要通過傳感器，將其轉(zhuǎn)換成電信號(近代還可以轉(zhuǎn)換成光信號)，而后再進(jìn)行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控制從信息的角度看，這些信號連同聲音和圖象信息都是信息的源頭，所以傳感器和檢測儀表、測量儀表是信息科學(xué)技術(shù)的三部分(信息獲取、信息傳輸、信息處理)中的重要部分。綜上所述，作為工業(yè)設(shè)備本身增加傳感器和檢測儀表、測量儀表或提供接口，是傳統(tǒng)設(shè)備更新?lián)Q代的必要條件。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)，是二十一世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。微電子機(jī)械加工技術(shù)，包括微機(jī)械加工技術(shù)、表面微機(jī)械加工技術(shù)、LIGA技術(shù)(X光深層光刻、微電鑄和微復(fù)制技術(shù))、激光微加工技術(shù)和徽型封裝技術(shù)等。傳感器的檢測儀表，在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上，內(nèi)置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路(運(yùn)算放大器、A/D或D/A、存貯器、網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路)等封裝在一起完成了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。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。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。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，采用計算機(jī)技術(shù)對其進(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，獲得對被測對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。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn)，即容錯性、互補(bǔ)性、實(shí)時性、經(jīng)濟(jì)性，所以逐步推廣應(yīng)用。信息社會的發(fā)展，在很大程度上取決于信息與信號處理技術(shù)的先進(jìn)性。數(shù)據(jù)采集技術(shù)(Data Acquisition)是信息科學(xué)的一個重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存貯、處理以及控制等作業(yè)。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。后者對被測設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)由現(xiàn)場總線上傳至上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)進(jìn)行處理后，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，適用于對多個現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的場合。與此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。采用這種設(shè)計，系統(tǒng)制造簡單、成本低。 本課題研究的內(nèi)容通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解數(shù)字溫度計的發(fā)展歷程，對數(shù)字溫度計的現(xiàn)狀，技術(shù)水平和發(fā)展趨勢有一個初步的認(rèn)識和了解；研究溫度傳感器的理論原理和發(fā)展應(yīng)用；研究溫度的采集過程，將微弱的模擬信號進(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；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。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃。向PT100輸入穩(wěn)恒電流，再通過A/D轉(zhuǎn)換后測PT100兩端電壓，即得到PT100的電阻值，進(jìn)而算出當(dāng)前的溫度值[4][5]?！娴奶匦?，計算出當(dāng)前溫度值。 單 設(shè)置溫度 AD 上下限 測 信 轉(zhuǎn) 溫 號 換 片 報警器 模 放 模 塊 大 塊 機(jī) 顯示模塊 電 源 模 塊 圖21 電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖 控制芯片單片機(jī) AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。 管腳說明如圖22為AT89C51引腳圖,各引腳功能說明如下: 圖22 AT89C51引腳圖VCC: 電源GND: 地P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)。 P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在flash編程和校驗(yàn)時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 表21 AT89C51引腳號第二功能RXD（串行輸入）TXD（串行輸出）INT0（外部中斷0）INT0（外部中斷0）T0（定時器0外部輸入）T1（定時器1外部輸入）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST:復(fù)位輸入，晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。否則，ALE將被微弱拉高。 振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。采用外部時鐘源驅(qū)動器件時，由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下，CPU停止工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。因?yàn)殂K電阻在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，因此它具有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠的特點(diǎn)[11]。目前市場上已有用金屬鉑制作成的標(biāo)準(zhǔn)測溫?zé)犭娮?，如PT100、PT500、PT1000等。鉑電阻的測量精度、測量范圍、線性度等特性都非常好，pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。電阻與溫度的關(guān)系：R=αT+100。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路[13]。電路接線圖見圖23。電壓和溫度的關(guān)系：U=(αT+100)/I~。例如參考電壓VREF為5V，采用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器時，當(dāng)輸入電壓為0V時，輸出的數(shù)字量為0000 0000，當(dāng)輸入的電壓為5V時，輸出的數(shù)字量為1111 1111。這樣每個輸入電壓值對應(yīng)一個輸出數(shù)字量，即實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。 圖24 ADC0808引腳圖 ADC0808引腳功能ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如右圖所示。 （2） 115和17～21：8位數(shù)字量輸出端。 （4） 6（START）： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 （6） 9（OE）：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。 （7） 10（CLK）：時鐘脈沖輸入端。（8）12（VREF（+））和16（VREF（））：參考電壓輸入端（9）11（Vcc）：主電源輸入端。（11）23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 表23 ADC0808輸入通道的選擇使用時應(yīng)根據(jù)需求選擇轉(zhuǎn)換時間，ADC0808的轉(zhuǎn)換時間約為100us相當(dāng)于10ksp[14]。由圖可見，實(shí)現(xiàn)一 次ADC轉(zhuǎn)換主要包含下面2個過程：1. 啟動轉(zhuǎn)換：ADDA,ADDB,，START正脈沖信號可啟動A/D轉(zhuǎn)換（要求不嚴(yán)格是，允許ALE和START使用同一正脈沖。A/D轉(zhuǎn)換期間，EOC始終保持低電平。EOC為高電平后，若使OE為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)果DATA便可鎖存到D0~D7上。對采樣值進(jìn)行運(yùn)算變換，換算出實(shí)際的滑動變阻器輸入電壓值。Dsample：ADC轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制值。Dmax：A