【正文】 .................................................................................. 30 致 謝 ............................................................................................................................... 31 1 前 言 隨著科技的發(fā)展和 “ 信息時代 ” 的到來，作為獲取信息的手 段 —— 傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。 傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。另一方面，傳感器的被測 信號來自于各個應用領域，每個領域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時效，各自都在開發(fā)研制適合應用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。 其發(fā)展速度之快，以及其應用之廣，并且還有很大潛力。本文利用單片機結合溫度傳感器技術而開發(fā)設計了這一 溫度測量系統(tǒng) 。 本設計應用性比較強，設計系統(tǒng)可以作為溫度測量顯示系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。設計后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活移植性強等優(yōu)點。文中對 每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。 2 第一章 方案設計與論證 第一節(jié) 傳 感器的選擇 溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和 非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，而后者是使溫度傳感器與 待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，達到測溫的目的。 熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導體熱 電阻式兩大類，前 者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。近年來各半導體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如 DALLAS 公司 DS18B20， MAXIM 公司的MAX657 MAX6577， ADI 公司的 AD7416 等，這些芯片的顯著優(yōu)點是與單片機的接口簡 單，如 DS18B20 該溫度傳感器為單總線技術， MAXIM 公司的 2 種溫度傳感器一個為頻率輸出，一個為周期輸出，其本質均為數(shù)字輸出，而 ADI 公 司的 AD7416 的數(shù)字接口則為近年也比較流行的 I2C 總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯 片給用戶帶來了極大的方便，但這類器件的最大缺點是測溫的范圍太窄，一般只 有 55～ +125℃ ，而且溫度的測量精度都不高，好的才 177。2 ℃ 左右，因此在高精度的場合不太滿足用戶的需 要。常用的熱電偶材料有鉑銠 鉑、銥銠 銥、鎳鐵 鎳銅、銅 康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不 同的測溫范圍場合。 非接觸式溫度傳感器主要是被測物體通過熱輻 射能量來反映物體溫度的高低，這種測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫 度場，測溫范圍寬，精度高，反應速度快，既可測近距離小目標的溫度，又可測遠距離大面 積目標的溫度。 由于本設計的任務是要求測量的范圍為 0℃ ～ 100℃ ，測量的分辨率為 177。具體在 0℃ ～ 100℃ 的分度特性表見附錄 A 所示。 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測 量誤差大。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。該方案采用熱電阻 PT100 做為溫度傳感器、AD620 作為信號放大器， TLC2543 作為 A/D 轉換部件， 對于溫度信號的采集具有大范圍、高精度的特點。在這里我選用方案二完成本次設計。另外，外接一個時鐘芯片 DS1302 產(chǎn)生時鐘信號送入到單片機中進行處理控制，并將時間顯示出來，以 實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控。其中 溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元部分包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路（采樣）、放大電路、 A/D 轉換電路。 圖 11 系統(tǒng)的總結構框圖 信號放大調理電路 PT100 溫度傳感器 A/D轉換電路 時鐘電路 按鍵控制電路 AT89S51單片機 LED數(shù)碼管顯示電路 5 第二章 硬件設計 第一節(jié) PT100 傳感器特性和測溫原理 電阻式溫度傳感器 (RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質材料作成的電阻 ,它會隨溫度的改變而改變電阻值。 PT100 溫度傳感器的測量范圍廣： 200℃ ～ +650℃ ，偏差小，響應時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應用，本設計即采用 PT100 作為溫度傳感器。采 用 Pt100 測量溫度一般有兩種方案： 方案一：設計一個恒流源通過 Pt100 熱電阻，通過檢測 Pt100 上電壓的變化來換算出溫度。 兩種方案的區(qū)別只在于信號獲取電路的不同，其原理上基本一致 。 第三節(jié) 恒流源電路 從上述關于 PT100 傳感器測溫原理可知，由 PT100 構成信號的獲取電路常用的方法有 2 種，一種是構成的十分常見的電橋電路，當然 ，在本系統(tǒng)中，考慮成本的問題，一般采用單臂橋；還有一種是運用恒流源電路，將 恒流源通過溫度傳感器，溫度傳感器兩端的 電壓即反映溫度的變化。 A圖單臂橋式 B圖恒流源式 圖 21 兩種信號獲取的結構電路 根據(jù)測試技術的有關知識，圖 21 中的 A 圖的輸出與電阻的阻值不是個正比的關系，因而數(shù)據(jù)處理起來特別麻煩，尤其是用單片機來 處理這些非線性的問題；而圖 B 的由于恒流源 7 的作用，使得電壓輸出與電阻成良好的線性關 系，因此，本系統(tǒng)采用恒流源電路來獲取溫度信號。 R 1 6 1327 L M 3 3 6 2 .5 V85326741U1O P 0 7V R 310kR 1 7500R 1 1P T 1 0 0+ 1 2 V 1 2 VV C C23 圖 22 由運放構成的恒流源電路 上圖中，由于運放虛地的結果，造成 OP07 的反相輸入端為 0V，而圖中 電阻的下端由于運用精密的電壓源 ，外加調整電路，該點電壓可調整為 ，而由于運放的輸入阻抗極高，輸入端可以認為不吸入電 流，因此從 電阻上流過的電流大小 固定 而且一定等于 OP07 輸出端流入溫度傳感器 PT100 的電流，從而達到恒流的效果，連接 PT100兩端的壓差正好反映溫度變化的 信號送入后級的放大器。 第四節(jié) 放大電路的設計 放大器的選擇好壞對提高測量精度也十分關鍵 ，根據(jù)查閱 的 相關資料，在放大器 電路精選中，一般在首級放大器有低噪聲、低輸入偏 置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運放結構，如下圖 23 所示，三運放中由 A A2 構成前級對稱的同相、反相輸入放大 8 器，后級為差動放大器，在這個結構圖中，要 保證放大器高的性能，參數(shù)的對稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件 R1 與 R R3 與 R R5 與 R6，還包括 A1 與 A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大 器對器件要求相當高。 +A1+A2+A3R2R1R7R6R3R5R4V INV O U T 圖 23 三運放結構的高性能放大器原理圖 隨著近年來微電子技術的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了 不少專用的高性能的芯片， AD6 AD623就是具有上述描述的三運放結構，在本設計中 我們根據(jù)手中的元器件材料最終選擇了 AD620作為放大器電路的首級放大。 AD620 的內部結構是由 OP07 組成的三運放結構，性能大大優(yōu)于自制的三運 放 IC 電路設計，其基本接法是在 1 腳與 8 腳之間外接一 RG 電阻，增益由式 G=1+，由于它的外圍電路十分簡單，所以它在本系統(tǒng)中 的應用見下圖 24 所示。這里設計的首級放大器的倍數(shù)是 20 倍，而后級放大則為 4 倍，合計的放大倍數(shù)為 80 倍，這樣就完全滿足設計分辨率的要求。根據(jù) A/D 轉換器的工作原理，常用的 A/D 轉換器可分為兩種，雙積分式 A/D 轉換器和逐次逼近式 A/D 轉換器。 所謂雙積分就是進行一次 A/D 轉換需要兩次積分。輸入電壓越大反向積分時間越長，用高頻標準脈沖計數(shù)測此時間，即可得到相應于輸入電壓的數(shù)字量。 2. 逐次逼近型 A/D 轉換器工作原理 10 逐次逼近型 A/D 轉換器由 D/A 轉換環(huán) 節(jié)，比較環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾部分組成。 在本設計系統(tǒng)中，為了將模擬量溫度轉換成數(shù)字量，采用德州儀器公司生產(chǎn)的 12 位開關電容型逐次逼近模數(shù)轉換器 TLC2543，它具有三個控制輸入端 ，采用簡單的 3 線 SPI 串行接口可方便地與微機進行連接，是 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。片內的 14 通道多路器可以選擇 11 個輸入中的任何一個或 3 個內部自測試電壓中的一個，采樣－保持是自動的，轉換結束， EOC 輸出變高。1LSB ； (6) 低供電電流 (1mA 典型值 )； (7) 掉電模式電流為 4μA 。 A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A 1012R13R+14/C S15DO16DI17C L O K18E O C19V C C20T L C 25 43 圖 25 TLC2543 的引腳 11 AIN0～ AIN10：模擬輸入端，由內部多路器選擇。 CS：片選端， CS 由高到低變化將復位內部計數(shù)器，并控制和使能 DATA OUT、DATA INPUT 和 I/O CLOCK。 DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以 MSB 為前導并在 I/O CLOCK 的前 4 個上升沿移入 4 位地址，用來選擇下一個要轉換的模擬輸入信號或測試電壓，之后 I/O CLOCK 將余下的幾位依次輸入 。 EOC：轉換結束端。 VCC、 GND：電源正端、地 。通常 REF＋接 VCC， REF－接 GND。 I/O CLOCK：時鐘輸入 /輸出端。根據(jù) TLC2543 時序圖可以看出，在 TLC2543 的 CS 變低時開始轉換和傳送過程，I/O CLOCK 的前 8 個上升沿將 8 個輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時它將前一次轉換的數(shù)據(jù) 的其余 11 位移出 DATA OUT 端，在 I/O CLOCK 下降沿時數(shù)據(jù)變化。 TLC2543 與單片機的連接 如圖 26 所示。 采用三線接口與 CPU 進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM 數(shù)據(jù)。 DS1302 是 DS1202 的升級產(chǎn)品，與 DS1202 兼容，但增加了主電源 /后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。 1. 引腳功能及結構 DS1302 的引腳排列 ,其中 Vcc1 為后備電源， VCC2 為主電源 。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當 Vcc2 小于 Vcc1 時， DS1302 由Vcc1 供電。 RST 是復位 /片選線，通過把RST 輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。當 RST 為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化 ，允許對 DS1302進行操作。上電運行時，在 Vcc≥， RST 必須保持低電平。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 )，后面有詳細說明。 DS1302 的引腳功能圖 如圖 27 所示。控制字 節(jié)的最高有效位 (位 7)必須是邏輯 1，如果它為 0，則不能把數(shù)據(jù)寫入 DS1302 中，位 6 如果為邏輯 0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為 1 表示存取 RAM 數(shù)據(jù) 。最低有效位 (位 0)如為 0 表示要進行寫操作，為 1 表示進行讀操 作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。同樣，在緊跟 8 位的控制指令字后的 下一個 SCLK 脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位 0 位到高位 7。 圖 的控制字節(jié) 此外， DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM 相關的寄存器等。 DS1302 與 RAM 相關的寄存器分為兩類：一類是單個 RAM 單元，共 31 個，每個單元組態(tài)為一個 8 位的字節(jié)， 其命令控制字為 C0H～ FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的 RAM 寄存 器，此方式下可一次性讀寫所有的 RAM 的 31 個字節(jié)，命令控制字為 FEH（寫）和 FFH（讀）。這三條線分別接到 CPU 的 I/O 線上。如圖 29 所示 。設置鍵，接單片