多点温度测量系统项目设计方案

1 多点温度测量系统项目设计方案 课题背景 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自 18 世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎 %80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。 传感器主要大体经过了三个发展阶段：模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感 器。此种传感器具有功能单一 (仅测量温度 )、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有 ；模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有 些增强型集成温度控制器 (例如 53)中还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似 之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；智能温度传感器。能温度传感器 (亦称数字温度传感器 )是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术 (结晶。智能温度传感器内部都包含温度传感器、 A/D 转换器、信号处理器、存储器 (或寄存器 )和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器 (随机存取存储器 (只读存储器 (智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器 (并且它是在硬件的基础上通过软件来实 现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。 温度传感器的发展趋势。 进入 21 世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。 传感器在温度测控系统中的应用。 目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在 800之间，分辨率 12位，最小分辨温度在 间。自带 2 示 4 位到 16 位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。 针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。 随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种温度控制系统中广泛应用，且由过去的单点测量向多测量发 展。目前温度传感器有模拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和 A 多数多点测 温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统的设计。比较有代表性的数字温度传感器有 在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展 ，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国 有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用 I/0端口即可完成与微处理器的通信；在 +85 温度范围内具有 0 5 精度；用户可编程设定 9 12位的分辨率。以上特性使得 点温度测量系统。 课题的任务 本课题主要是实现对温度进行多点同时测量并准确显示。整个系统由单片 机控制，要能够接收传感器的数据并显示出来，可以从键盘输入命令，系统根据命令，选择对应的传感器，并由驱动电路驱动温度显示。 设计一种合理、可行的单片机监控软件，完成 多点测量和显示的 任务， 并 编写硬件底层驱动程序。 利用一个单片机设计一个能够进行多点温度进行同时测量的系统。该系统能够同时对多个点的温度进行测量和进行显示，并且能够对异常情况进行报警。 重庆工学院毕业论文 方案论证比较与选择 3 第二章 方案论证比较与选择 言 温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型 传感器。对于控制系统可以采用计算机、单片机等。 设计方案一 采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测 量 及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件 分 散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 设计方案二 本方案采用 片机为核心，通过温度传感器 信号放大器放大后，送到 A/终经单片机检测处理温度信号。 变送器温度传感器L E 方案二的框图 如图 用该方案技术已经成熟， 换电路设计较烦琐，而且使用行温度检测必须对冷端进行补偿，以减小误差。 计方案三 本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（ 下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 过上位机（ 制下位机（单片机）进行现场温度采集。温度值既可以送回主控 行数据处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。 下位机采用的是单片机基于数字温度传感器 系统。 用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。重庆工学院毕业论文 方案论证比较与选择 4 本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械 等 。系统框图如下： A T 8 9 C 5 1单 片 机多 个D S 1 8 B 2 0数 码 显 示报 警 系 统键 盘 识 别电 路R S 2 3 2P 方案三的系统框图 案的比较与选择 基于数字式温度计 温度信号直接转换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理电路。该仪器电路简单、功能可靠、测量效率高，很好地弥补了传统温度测量方法的不足。 相对与方案 1，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。相对与方案 2， 硬件电路简单，易于操作， 具有更高的性价比，更大的市场。所以我采用方案 3完成本设计 。 案的阐述与论证 方案三以 温度测试系统，该系统包括传感器电路、键盘与显示电路、串口通信电路等组成部。 采用 美国 于新一代适配微处理器的智能温度传感器。它具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用 I/0端口即可完成与微处理器的通信。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集要求通过简单的编程实现 9 12位的数字值读数方式。其可以分别 93 75位和 12位的数字量，最大分辨率为 ， 而且从 线 (单线接口 )读写。 它有如下的性能特点： 1)独特的单线接口，既可通过串行口线，也可通过其它 I/需变换其它电路，直接输出被测温度值； 重庆工学院毕业论文 方案论证比较与选择 5 2)多点能力使分布式温度检测应用得以简化； 3)不需要外部元件； 4) 既可用数据线供电，也可采用外部电源供电； 5)不需备份电源； 6) 测量范围为 +125 ， 固有测温分辨率为 0 5 ； 7)通过编程可实现 9 12位的数字读数方式； 8)用户可定义非易失性的温度告警设置； 9)警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件 (温度警 告情况 )； 10)应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统。 以上特性使得 点温度测量系统。 根据 重庆工学院毕业论文 硬件设计 6 第三章 硬件设计 本课题研究的多点测温系统是以单片机和单总线 数字温度传感器 分利用单片机优越的内部和外部资源及 数字温度传感器 优越性能 构成一个完备的测温系统，实现对温度的多点测量。整个系统由单片机控制，能够接收传感器的温度数据并显示出来，可以从键盘 输入命令，系统根据命令，选择对应的温度传感器，并由驱动电路驱动温度显示。本课题 设计 了 一种合理、可行的单片机监控软件，完成 测量和显示的 任务。 由于单片机具有强大的运算和控制功能，使得整个系统具有模块化、硬件电路简单以及操作方便等优点。 本课题的整个系统是由单片机、显示电路、键盘电路、驱动电路，串口通信等构成。 温度传感器 度传感器选用细则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的题。当传感器确定 之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1） 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行 个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源， 国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。2） 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号 3） 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有 定延迟，希望延迟时 间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性重庆工学院毕业论文 硬件设计 7 的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 4） 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作 线性的，这会给测量带来极大的方便。 5） 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 6） 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整 个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 温度传感器 于新一代适配微处理器的智能温度传感器。全部传感元件及转换电路集 成在形如一只三极管的集成电路内。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9 12位的数字值读数方式。其可以分别 93 7550位和 12位的数字量，最大分辨率为 0 0625 ， 而且从 单线接口 )读写。 单线数字化智能集成温度的传感器，其特点是： 度值不需要经电桥电路先获取电压模拟量，再经信号放大和 A 重庆工学院毕业论文 硬件设计 8 决了传统温度传感器存在的因参数不一致性，在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题，使用方便 到 12位温度读数，精度高，且其信息传输只需 1根信号线，与计算机接口十分简便，读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源 每一个 就允许多个 其适合于多点温度检测系统 负压特性：当电源极性接反时， 不会因发热而烧毁 正是由于具有以上特点， 靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比，有无可比拟的优越性，因而广泛应用于过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。其外形和管脚如下图： 图 温精度高、连接方便、占用口线少等优点。 是 I/0与单片机的 I/0线相连；二是用寄生电源供电，此时 ,I/0接单片机 I/0。无论是哪种供电方式， I/0口线都要接 4 7k 4给出了 如下面图 3.2(a)所示，在寄生电源供电方式下， 信号线 信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处： 1） 进行远距离测温时，无需本地电源 2） 可以在没有常规电源的条件下读 取 ） 电路更加简洁，仅用一根 I/要想使 I/于每个 几个温度传重庆工学院毕业论文 硬件设计 9 感器挂在同一根 I/靠 造成无法转换温度或温度误差极大。 因此， 该 电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源 V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。 改进的寄生电源供电方式如下面图 3.2(b)所示，为了使 动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 ，在发出任何涉及到拷贝到 须在最多 10S 内把 I/强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根 I/ 如下面图 3.2(c)所示， 在外部电源供电方式下， 其 5 5此时 I/存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下， 则不能转换温度，读取的温度总是 85 。 （ c） （ a） 重庆工学院毕业论文 硬件设计 10 (b) 生电源方式） 图 （ 3） 内部结构： 图 内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、 64 位激光 线接口、存放中间数据的高速暂存器 (内含便笺式 用于存储用户设定的温度上下限值的 发器存储与控制逻辑、 8 位循环冗余校验码(生器等七部分。 64位光刻 排列是：开始 8位是产品类型标号，接着的 48位是该 后 8位 是前面 56位的循环冗余校验码。光刻作用是使每一个 可实现一根总线上挂接多个存存储器包含了 8个连续字节，前 2个字节是测得的温度信息，第 1个字节的内容是温度的低 8位，第 2个字节是温度的高 8位。第 3个和第 4个字节是 5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这 3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第 6、 7、 8个字节用于内部计算。第 9个字节是冗余检验字节 图 重庆工学院毕业论文 硬件设计 11 （ 4） 测温原理： 中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。 图 高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器 1和温度寄存器被预 置在 对应的一个基数值。计数器 1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1的预置值减到 0时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1的预置将重新被装入，计数器 1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2计数到 0时， 时温度寄存器中的数值即为所测温度。 在正常测温情况下， 测温分辨力为 ，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用 供的读暂存器指令 (出以 分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位 (得到所测实际温度的整数部分 后再用 令取计数器 1 的计数剩余值 每度计数值 虑到 、 为进位界限的关系，实际温度 用下式计算： ) ( 5）告警信号： 成温度转换后，就把测得的温度值与 比较。若 TTi; = 0 ); 可以编程 控制读到其内部 并且读取数据时低位在前，高位在后。读出数据后，需判断对应的温度是正值还是负值，当温度值为正值时，直接将二进制数转换为十进制温度值 ;当温度值为负值时先将二进制补码变为原码，再转换为十进制温度值。 本课题的温度测量与读取软件流程： 重庆工学院毕业论文 软件设计 29 复 位 D S 1 8 B 2 0复 位 D S 1 8 B 2 0延 时存 入 储 存 器指 向下 一 个 D S 1 8 B 2 0读 温 度 值发 1 个 D S 1 8 B 2 0 序 号发 出 温 度 转 换 命 令发 出 跳 过 R O M 命 令转 换 完 毕 ？复 位 D S 1 8 B 2 0发 出 匹 配 R O M 命 令第 n 个 D S 1 8 B 2 0处 理 完 ？报 警 输 出发 报 警 搜 索 命 令有 温 度 超 限否 ？图 温度测量程序流图 (1) 温度换时间设置为 750敏度会大大 提高，在需要较高精度要求下建议使用，而且回复性很好 ; (2) 反复的调试中找出合适的延时时间 ; (3) 在程序等待 好设置一个有限的等待时间，否则一旦有温度传感器损坏时，程序将进人无限等待的死循环中 示程序设计 根据系统的要求，单片机不仅要能接收到温度信号，还要将温度信号显示出来，使系统一目了然。对于输入的温度信号的显示是利用 串行输出共阴极显示驱动芯片，每片可驱动 8 个 显示器具有接口简单占用资源少、控制灵活方便等，因此利用 捷。 首先初始化 5个控制寄存器，然后送 1 8个显示数据 一旦送完控制字后，下一步按实际需要可以改变 1 8个数据显示寄存器的内容， (1)译码寄存器 译码寄存器 (7D0D)中数据可初始化为 00H、 01H、 0重庆工学院毕业论文 软件设计 30 及 别表示：对数据显示寄存器中的内容不译 码 只对 01译码；对34译码；对7译码方式时，只对数据显示寄存器中的3D0D 4D 位为任意值，77D=数点亮；7D=数点熄灭。 (2)显示亮度寄存器 其中，74可任意，3000 (3)扫描范围寄存器 其中，7012 00到 中 000表示只接有0示器， 001表示接有由0制的两个 此类推； 111则表示0 (4)关闭寄存器 其中， 7D 1D 位可以任意； 0D=0，关闭所有显示器，0D=0，允许显示。 (5)显示测试寄存器 其中7D 1D 位可以任意；0D=0， D=1， 初始化 照图 4送完所有控制寄存器的地址 和相应的控制命令之后，再按同样的方法送待显示的数据，每次先送某个 送待显示的数据字节。由于控制寄存器和数据显示寄存器全部单独编址，所以在送控制字或送显示数据时，均没有规定其先后顺序。 选 择 码 方 式 的 地 址 字 节选 择 码 方 式 控 制 字 节送 显 示 亮 度 寄 存 器 地 址送 显 示 亮 度 控 制 字 节送 扫 描 范 围 寄 存 器 的 地 址 字 节送 扫 描 范 围 控 制 字 节送 关 闭 寄 存 器 的 地 址 字 节送 关 闭 寄 存 器 的 控 制 字 节送 显 示 测 试 寄 存 器 的 地 址 字 节送 显 示 测 试 寄 存 器 的 控 制 字 节开 始图 初始化 初始化程序主要部分如下： 重庆工学院毕业论文 软件设计 31 i; ; ; 0 ; ; i=2;i # # # P1 Q = ; / 定义 20 = ; 37; 5=0 t; /* 延时函 数 * * 功能：在 4s 然后每次计数需 13s */ ; ; ; /* 复位函数 * * 功能：完成单总线的复位操作。 * 复位时间为 480 s，因此延时时间为 (48013 = 36， * 经过 70 此延时时间为 (7013 = 5 */ 0; / 将 拉低 6); / 保持 480s 重庆工学院毕业论文 附录 40 1; / ); / 等待存在脉冲 / 获得存在信号 0); / 等待时间隙结束 / 返回存在信号， 0 = 器件存在 , 1 = 无器件 0; / 将 低开始写时间隙 _; _; if(1) 1; / 如果写 1， 回高电平 ); / 在时间隙内保持电平值， 1; / 3s ，因此 ) = 105s i; i=0; ii; = 0 ); /* 位读取函数 * * 功能：从单总线上读取一位信号，所需延时时间为 15s ，因此无法调用前面定义 的 函数，而采用一个 循环来实现延时。 */ i; 0; /将 低开始读时间隙 _; _; 1; / 庆工学院毕业论文 附录 41 i=0; i 4); = 4) = 4) 3; 庆工学院毕业论文 附录 43 4; 0 0= 4) = 4) 3; 4; ( 1) * 4 + 0= 0 /*报警输 出 */ /报警输出； i,j; j=0; /如果最高位为 1则将补码变为原码； =(); =(+1); ; k=(&016+(&016); k + ( & 0* = 1) 0; 1;