粮仓测温系统的设计.doc

摘要摘要 针对安全储粮的实际要求 进行了粮库测温系统设计 传统的粮库测温是 使用温度计来测量的 精度差 随意性强 无法真实的反映粮食的准确温度 因此 实时检控粮温是达到最低粮食损失的保证 为确保粮库询查人员准确 及时的对粮仓进行询查和记录 确定整个监控系统的工作过程 了解温度对贮 藏粮食的影响 设计了粮仓测温系统 本设计主要由测温电缆 测量模块 签 到电路 信号转换器和上位机五大部分组成 设计包括测量模块 数据采集模块 IC 卡签到模块等 测量模块内容包括测温电缆的设计 电缆上布置着温度传感 器 采用的是热敏电阻温度传感器 数据采集模块运用了 A D 转换器 进行了 模拟信号到数字信号的转换设计 IC 卡签到模块中选择的是 SLE4442 芯片 利 用其内部加密存储卡 能确保粮仓查询人员能准确及时地到达粮库 记录粮情 本系统还能对粮库温度检控系统进行测量精度和稳定性检验 并对实际的粮情事 例进行分析 可用于大型的粮仓测温 有一定的实际意义 关键字关键字 测温电缆 测量模块 数据采集模块 传感器 1 Design of temperature measurement system of granary Abstract temperature measurement system on granary is designed according to the practical request about storing grain Traditional temperature measurement system is old with using thermograph whose accuracy is low and neither reflects the real temperature of grain nor finds the point of bad grain in time so that there is lots of loss of grain Therefore making practical temperature measurement can assure declining of the loss of grain Moreover for the sake of assuring the accuracy of measuring to the grain temperature measurement system and checking in system is needed According to practical situation the working process is made sure the effect the system is understood This design includes measuring module checking in circuit signal adapter and host computer Design measuring module data acquisition module and IC Checking in system In the measuring module temperature measurement cable is used Data acquisition module uses A D converter for signal transformation At last detect the temperature measurement system on granary Key words Temperature measurement cable Measuring module Data acquisition module Sensor 2 1 绪论 1 1 1 本课题研究背景 1 1 2 研究的目的及意义 3 1 3 主要研究工作内容 3 2 系统总体方案设计 4 2 1 系统设计要求 4 2 2 总体设计方案 4 2 2 1 系统的构成及功能 5 2 2 2 系统的工作原理 6 3 系统硬件电路设计 7 3 1 温度传感器的选择 7 3 1 1 温度传感器的发展 7 3 1 2 热敏电阻的特性 8 3 2 测量模块的设计 10 3 2 1 测量模块的组成 10 3 2 2 数据采集 11 3 2 3 模拟基准回路设计 11 3 2 4 信号转换器的设计 12 3 3 动态显示 时钟日历的设计 12 3 3 1 键盘 显示器的接口的实现 12 3 3 2 时钟日历接口的实现 13 3 4 IC 接口电路的设计 18 3 4 1 SLE4442 芯片特点 18 3 4 2 IC 卡与单片机的接口电路 19 4 结束语 21 致谢 23 参考文献 24 1 1 绪论绪论 1 11 1 本课题研究背景本课题研究背景 粮食是关系国计民生的重要战略物资 吃饭始终是人类赖以生存和社会稳 定的头等大事 粮食的储存和保管工作国家和各级政府都十分重视 粮食温度是能否保证粮食安全存储的重要指标之一 国内外在该领域研究 3 都投入了巨大的人力物力 国际上以美国加拿大为代表的产粮大国的粮食温度 监控技术已经发展到了成熟的地步 高科技数字式温度产感器广泛应用于粮食 温度监测系统 该传感器采用了半导体集成电路誉为控制器的最新技术 在一 个管芯上集成了半导体温度测量芯片 数据信号转换芯片 计算机接口芯片 存储器芯片等多个功能模块 除了完成温度检测功能外 一些数字温度传感器 还可以同时完成预知温度范围报警 多路 A D 转换 温度补偿等功能 由于数 字温度传感器直接输出数字量从而解决了温度信号的长距离传输问题及传输过 程中因干扰和衰减导致的精度降低问题 由 Analog Device 公司生产的 AD7418 数字式温度传感器 集成了 A D 转 换器 参考电源 采样保持器 多路开关及温度监控报警电路 温度敏感器件 采用带隙式半导体温度传感器 Bandgap Temperature Sensor 具有较好的稳 定性和精度 该器件可以在片内将温度传感器的模拟量通过 A D 转换器转换成 数字量 片内具有可预置的温度报警寄存器 可以通过外部程序控制来设定报 警的上限温度和下限温度 当传感器温度超出该温度范围时 OTI 引脚输出报 警信号通知控制系统或直接用于控制 National Semiconducor 公司生产的 LM74 数字式温度传感器 集成了带隙 式温度传感器 Delta Sigma 型数模转换器 并具有 SPI Microwrite 兼容总线 接口 在传感器通电工作后 自动按一定速率对温度进行检测 并在片内寄存 器中存储转换的温度值 可以在任意时刻读出传感器的温度值 LM74 具有休眠 模式 在休眠时消耗的电流不超过 10uA 功率消耗低 LM74 的数模转换器为 12 位外加符号位 因此在其有效工作范围内可以达到 0 0625 的分辨率 由于 采用了 SPI microwrite 兼容总线接口 可以将多个传感器挂接在总线上 通 过片选信号对特定器件进行读写操作 由美国 Dallas Semiconductor 公司推出的单线数字化测温集成电路 数字 温度传感器 DS1820 采用单线接口式 可通过数据线直接供电 具有超低功耗 工作方式 测温范围 55 125 温度转换值以九位数字方式串行输出 微控制 器与 DS1820 仅需一条线 每一 DS1820 在出厂时已给出了唯一序号 因此 在 同一条单总线上可挂接任意多个 DS1820 DS1820 的序号值存放在内部 ROM 中 传感器内部还有两个八位的用于存放温度数据的 RAM 1 号 存放温度数据的正 负符号 0 号存放温度值的补码 采用塑封的 DS1820 易于封装在测温电缆中 加拿大 OPI 公司的 粮食仓储管理系统 是世界上有名的粮食仓储管理系 统 在我国的世行贷款粮库建设项目中大型粮食的中转库项目中的粮温检测系 统采用的就是 OPI 公司的产品 该系统分为硬件和软件两部分 硬件部分主要 由数字式温度传感器 测温电缆 测控单元 计算机四部分组成 软件部分是 4 由集粮仓检测 报警和主动控制为一体的 OPIGIMAC 软件 该系统使用的数字式传感器是 OPI 公司自行设计生产的 测温电缆集通讯 与承重功能于一体 外表采用高密度聚乙烯材料经特殊工艺压制而成 截面为 椭圆形设计 截面积小 受力合理 电缆连接采用可插拔式 连接方便 缆芯 可更换 便于维修 其 专家管理系统 不仅能随时对粮食的温度加以监控 而且还能对外界环境温度和相对湿度进行检测 结合当地历史气候条件 选择 最佳时间控制通风机和其他设备 主动调节粮食温度和湿度 以最小的能耗使 粮食得以保存 粮食储存和保管过程中温度对粮食有直接影响 稍有疏忽 温 度过高 就会造成粮食发烧 给国家和人民造成巨大的经济损失 我国有 13 亿 人口 九亿多农民 保持粮食生产和流通的稳定至关重要 国内最早采用的是温度计探测法 它是将温度计放在特制的插杆中 将插 杆插在粮堆的多个测温点上 保管人员定期将插杆拔出读数 确定粮温高低决 定是否倒粮 实践证明 这种方法对安全储粮有一定作用 但由于温度计本身 存在误差和人为因素 不仅测量速度慢精度低 人员劳动强度非常大 而且容 易造成抽样不彻底 不能及时发现局部粮温过高 致使部分粮食发霉变质 继 而引起大范围的坏粮情况 造成重大的经济损失 温度传感器测量法应用在粮温检测系统中初期是以热电阻作为温度传感器 件 利用电桥测量热电阻由于温度变化而产生的电压变化 通过毫伏表读数从 而测得温度值 为粮食存储提供依据 虽然这种测量方法精度有所提高 但仍 需个人工一点点地测量 效率低 随着电子器件制造技术的不断发展 有采样 器 测温传感器 模 数转换器 报警器电源等几大部分组成的粮温检测系统产 生了 它能集中对粮库各仓的每个监测点的粮温进行巡回检测 与以往相比 其检测速度和精度都有很大提高 并且大大减轻了保管员的劳动强度 但由于 电阻传感器的灵敏度较低 致使粮温检测系统测量精度 系统可靠性性能还不 够理想 1990 1994 年间 粮温检测系统又有了很大改善和提高 系统在布线上采 用了矩阵式布线技术 简化了数据采集部分的线路 在传感器方面采用了半导 体 热电偶等器件 在数据传输上采用了串行传输方式 从而节省了传输线 采用单板机进行数据处理 提高数据传输与检测速度 通过软硬件技术的结合 检测精度与可靠性较前期又有了很大提高 但温度传感器的线性度差 测量精 度仍不理想 近年来 随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用 市场对粮食温 度监控系统的准确性稳定性要求越来越高 为了满足市场需求 国内有关厂家 研制出用温度传感器测得温度信号 单片机和计算机组成的粮食温度监测仪器 5 因各自配置不同 其测量精度及性能价格也不尽相同 与外国同类产品相比较 国内的粮食温度检测系统还有很大差距 系统采 用的温度传感器的测量精度和灵敏度 温度传感器测得的粮食温度模拟量信号 转换成数字量信号时产生的误差 信号在长距离传输过程中因干扰和信号衰减 导致的精度降低 鉴于这种情况 设计一种适合国内实际情况 满足当前国家 仓储建设项目要求的粮食温度检测系统对改善我国粮食仓储的落后面貌具有非 常重要义 1 21 2 研究的目的及意义研究的目的及意义 在粮食储存和保管过程中温度对粮食有直接影响 稍有疏忽 温度过高 就会造成粮食发烧 给国家和人民造成巨大的经济损失 我国有 13 亿人口 九 亿多农民 保持粮食生产和流通的稳定至关重要 建国 50 多年来 粮食仓储和流通设施建设取得了很大成绩 粮食仓储规模 比 1949 年的多 750 万吨 增加了二十多倍 目前 我国的粮食加工和存储单位 一般采用大型的钢板仓或方仓储存原粮 这些储粮仓一般高约二十米 直径达 十米以上 以往管理人员对这种大型粮仓仓内温度的检测非常困难 一种方法 是把放有温度计的钢管插入粮食中 过几个小时 估计粮食温度与温度计标示 的温度一致后 把钢管取出并马上读温度值 显然 这种测温手段不仅费工费 时 而且误差较大 无法测量粮仓深处的温度 近几年 适用于大型粮仓的检测设备有了很大一定发展但现有系统多采用 分级式结构 由一台主机带数台分机组成 这些系统在安装时 一般把分机按 在粮仓的上面 实践证明 这样做不仅给安装和维护带来不便 而且分机常因 外界环境的恶劣而无法正常工作 另外 现有系统一般只是提供一个监视终端 因此不易实现粮食储运的自动化管理 本系统就是为克服上述问题而设计的 并且提高了精确度和稳定性 因此 采用了集中式结构 所以施工和维护方便 成本低 而且易于进一步组网 1 31 3 主要研究工作内容主要研究工作内容 1 根据粮库的实际情况 确定整个监控系统的工作过程 了解温度对贮 藏粮食的影响 2 设计温度监控 掌握温度传感器的组成及工作原理 3 对测量模块 数据采集模块中的 A D 转换器 IC 卡签到系统等的设 计 6 2 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 12 1 系统设计要求系统设计要求 针对安全储粮的实际要求 温度是保证储粮安全关键的因素之一 传统的粮库测温是使用温度计来测量的 精度差 随意性强 无法真实的 反映粮食的准确温度 不能及时发现坏粮点 通风降温作业也不够及时 以至 于经常造成粮食损失 因此 实时检控粮温是达到最低粮食损失的保证 为了 确保粮库询查人员准确 及时的对粮仓进行询查 对粮库测温系统和签到系统 的要求 1 温度传感器 采用 0 5 级热敏电阻传感器 2 测温电缆 测温电缆采用屏蔽电缆 测温电缆中的传感器焊接结实可 靠 并做绝缘及防熏蒸处理 测温电缆采用钢丝绳加强 钢丝绳要做防水防 熏蒸处理 3 测量部分 采用单片机技术及数字通讯技术 在数字量的输出端作 光隔及防熏蒸处理 4 签到部分 采用 IC 卡技术对粮仓粮情进行记录 2 22 2 总体设计方案总体设计方案 粮食仓库作为仓储行业的成员之一 是通过粮食的运进 运出等作业 来 完成粮食的储藏和中转工作 粮库规模有大有小 其所包含的粮仓数量从几个 到几十个不等 大的粮库占地方圆几公里 粮仓形式大致分为房式仓 浅圆仓 砖圆仓 立筒仓 钢板仓等 仓容量从几百吨到上万吨 但不论采用哪种仓型 的粮仓 粮食都是散装储存的 因此 不同粮食内部的温度呈不均匀分布 所 以必须进行逐层测量 才能达到对粮温全面检测的目的 以确保粮食安全 本文的粮食温度检控系统 是针对有四对直径 15 米 总高 18 158 米 单 仓容量 1500 吨的新型粮仓的 属中小型吸纳库 通过对该粮库的了解并结合 中央直属粮库粮情检测系统技术质量要求 下简称 要求 确定了系统总 体设计方案 7 模拟校准 译码器 存储器 微机处理 系统显示 日历时钟 多串口卡 信号转换器 图 1 系统总体方案 2 2 12 2 1 系统的构成及功能系统的构成及功能 本粮库温度检控 签到系统总体方案组成示意图 1 所示 主要由测温电缆 测量模块 签到电路 信号转换器和上位机五大部分组成 其各部分功能如下 1 测温电缆上的热敏电阻作为系统中最先感知粮食温度的部分 其结 构的可靠性和感温的灵敏性 对整个系统的作用是非常重要的 在众多的传感 器中 热敏电阻因其低廉的价格 较小的体积 较高的灵敏度热管性小和寿命 长等诸多优点得到广泛应用 非常适合于粮温的多点测量 本系统采用的就是 热敏性测温电缆 电缆上布置的热敏电阻之间的距离在 1 52 米 电缆外用 PVC 材料套封 以防止磷化氢气体同电缆内部通导线发生反应 加之包以能够受 40KN 拉力的钢缆 以承受粮食的荷重 确保线路无损 测温电缆垂直方向 以直径分别为 4 6 米和 12 6 米的铜芯圆柱体 分别均 布 3 根测温电缆和 8 根测温电缆 其中外圈测温电缆中最下层的温度传感器距 仓底 30 50 厘米 最上层的距粮面 30 厘米 共七层 32 个点 内圈由于筒仓 IC 卡签 到电路 1 号N 号 测温电缆 测量模块 8 仓顶锥体堆粮近三米 因此设 8 层 24 个温度传感器 确保系统可以测到粮仓 顶层的粮食温度参数 仓内共 80 个测温点 总体代表了粮仓内各层面的粮温 2 测量模块的功能是完成对测温电缆所测得的温度信号的转换 采用 8031 单片机作为控制核心 把不同测点的热敏电阻分别自动接入测量电路 所 测信号通过单片机进行处理 要求测量的点数也不相同 因此 系统为每个粮 仓设置一个测量模块 以保证足够的测量能力 为防雨 放雷击 将测量模块 固定在粮仓顶部 3 签到部分的功能是完成对粮仓询查人员对的粮仓的询查情况 并且记 录此时的时间和温度情况 采用IC卡技术 基于安全 稳定 可靠等因素的考 虑 设计并采用了SLE4 442型IC卡与单片机的接口电路 该芯片使用简单 并 且设计的软件易于编制 可以很好对粮仓完成签到 4 信号转换器的作用是将测量模块输出的信号转换成上位机可以接受的 信号 实现上位机与测量模块之间的信息交换 因为粮库的的粮仓距中心控制 室较远 为保证温度信号能够进行长距离传输采用 MAX1487 作为信号接收器件 MAX489 作为信号发送器件 两器件之间设置快速光电耦合器 确保系统遭雷击 时 上位机不受损害 从而保证远距离通信的可靠性和计算机的兼容性 2 2 22 2 2 系统的工作原理系统的工作原理 粮食温度检控系统采用热敏电阻作为测温电缆上的温度传感器 来感知粮 食的温度 粮仓内各个测点的热敏电阻是在测量模块的单片机控制系统控制下 被循环介入测量电路 所得的测量信号 经过放大电路放大后传给 A D 转换器 转换成数字信号传出 并通过 IC 卡芯片和时钟日历芯片与单片机完成询查人员 的时间 粮温的记录 由于每个粮仓的测温点较多 系统为每个粮仓设置了一个测量模块 以确 保其足够的测量能力 测量模块与主控制室较远 为增加信号的传输距离 系 统设计了信号的转换器 信号转换器通过 MAX1487 接收测量模块输出的数据信 号 经过光耦光电隔离 TIL117 光耦 74LS14 数据整形 74LS14 再通过 MAX232 将数字信号转换成能被计算机接收的 12 12V 数字信号 通过多串口 卡上传给上位机 上位机据此信号实现数据实时显示 区县浏览粮库管理等功 能 系统中有多个测量模块 只有被上位机选中的测量模块的信号才能上传 尽管如此 由于系统的检测速度很快 达到每秒 30 个点 对于大用的 8 个粮仓 全部测量点检测一次的时间是 22 秒 信号近于同时上传 从而保证了系统的实 时性 9 3 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3 13 1 温度传感器的选择温度传感器的选择 3 1 13 1 1 温度传感器的发展温度传感器的发展 人们研究温度测量的历史已经很久远 所使用的传感器也种类繁多 近百 年来 温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段 传统的分立式温度传感器 含敏感元件 模拟集成温度传感器 控制器 智能温度传感器 即数字温度传 感器 1 分立式温度传感器 传统的热电偶 热电阻 热敏电阻及半导体温度传感器 均属于分立式温 度传感器 传感器本身就是一个完整的 独立的感温元件 此类传感器通常要 配温度变送器 以获得标难的模拟量 电压或电流 输出信号 使用时还需配上 二次仪表 才能完成温度测量及控制功能 需进行温度校准 例如非线性校准 温度补偿 传感器标定等 使用方便 稳定性强 价格合理 是如今应用最广 泛的温度传感器 2 模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的 因此亦称硅传感器或单片 集成传感器 模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的 它是将温度传 感器集成在一个芯片上 可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC 它属 于最简单的一种集成温度传感器 模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一 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 适合远距离测温 控温 不需要进行非线性校难 外围电路简单 典型 产品有 AD590 AD592 TWl7 LMl35 等 3 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 tM56 AD22105 和 bDLX6509 某些增强型集成温度控制器 例如 TC652 653 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 4 智能温度传感器 智能温度传感器 亦称数字温度传感器 是在 20 世纪 90 年代中期问世的 该传感器是微电子技术 计算机技术和自动测试技术的结晶 它也是集成温度 传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品 目前国际上许多著名的集成 电路生产厂家己开发出上百种智能温度传感器产品 智能温度传感器具有以下 三个显著特点 第一 能输出温度数据及相关的温度控制量 适配各种微控制 10 器 MCU 第二 能以最简方式构成高性价比 多功能的智能化温度测控系统 第三 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 智能温度传感器内部都包含温度传感器 AD 转换器 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 CPU 随机 存取存储器 RAM 和只读存储器 ROM 5 智能温度控制器 智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的 智能温度控制 器适配备种微控制器 构成智能化温控系统 它们还可以脱离微控制器单独工 作 自行构成一个温控仪 既可以工作在连续转换模式 亦可选择单次转换模 式 智能温度传感器 控制器可广泛用于温度测控系统 计算机及家用电器中 6 内含温度传感器的专用集成电路 值得重视的是 目前配置有温度传感器的新型专用集成电路也己问世了 例如 美国 MAXIM 公司最新研制的 hDLxl298 和 hbLxl299 型 5 通道 12 位 ADC 芯 片 片内就集成了精密温度传感器 在 40 85 范围内的测温精度可达 l 芯片中主要包括七部分 内部温度传感器 用于测量本地温度 远程测温通道 外接 2N3940 型 NPN 晶体管 利用其发射结来测量远程温度 多路转换开关 即模拟输入转换器 12 位 ADC 内部基带电压源 时钟电路和 3 线串行接口 电路 该串行接口能与 SPI 总线 QSPI 总线及 MICROWIRE 服总线兼容 3 1 23 1 2 热敏电阻的特性热敏电阻的特性 测温电缆上的温度传感器作为系统中最初的感知部分 其测量的准确性和 灵敏性直接关系到整个系统的性能 鉴于本系统设计要求及经济性原则 选用 分立式温度传感器 分立式温度传感器的种类很多 热敏电阻以其优良的性能 成为首选 几 种温度传感器的性能如下 热敏电阻以其优良的性能 成为首选 1 热电偶式温度传感器 热电偶温度测量的特点是测量精度高 结构 简单 测量范围广 价格便宜 但热电装换灵敏性差 对放大电路要求高 2 热电阻温度传感器 例如铂电阻或铜电阻 它们的优点是线性度 好 测量准确 有较大的测量范围 但灵敏度低 价格较高 3 热敏电阻温度传感器 热敏电阻是一种对温度及其敏感的元件 从特性上它可以分为三类 一类 是负温度系数热敏电阻 NTC 它阻值随温度的上升而减小 使用温度范围为 50 300 主要应用于温度测量 另一类是正温度系数的热敏电阻 PTC 它的阻值随温度的上升而增大 具有开关特性 使用温度范围为 50 150 主 11 要应用于彩电消磁 电气设备的过热保护及用作温度开关 还有一类是临界温 度热敏电阻 CTR 也具有开关特性 使用温度范围为 0 150 主要应用 于温度报警 热敏电阻有珠粒状 圆柱状及圆片状 一般珠粒状由玻璃封装 圆柱状由 树脂或玻璃封装 而圆片状一般由玻璃封装 圆柱状热敏电阻 其外形与一般封装二级管一样 这种结构生产工艺成熟 生产效率高 产量大而价格低 成为热敏电阻的主流 珠粒状热敏电阻 由于 体积小 热时间常数小 适合制造点温度计和表面温度计 NTC 热敏电阻的电阻 温度特性曲线可以用如下公式描述 3 1 1 T T B AeR 式中 R 温度为 T 时的电阻值 A 与热敏电阻材料和几何尺寸有关的常数 B 热敏电阻常数 若已知T1和T2时电阻为RT1和RT2 则可通过公式求取A和B的值 即 3 2 T B T eRA 1 ln 12 21 TT TT B 2 1 T T R R 3 3 热敏电阻与热电阻相比 其特点是 1 电阻温度系数绝对值大 因而灵敏度高 约为热电阻的十倍 测量线 路简单 甚至不用放大器便可输出几伏的电压 2 体积小 重量轻 热惯量小 可以测量点温度 适宜动态测量 3 本身电阻值大 不需要考虑引线长度带来的误差 因此适宜远距离测 量 4 热敏电阻产品已系列化 便于设计选用 5 工作寿命长 而且价格便宜 6 非线性大 在电路上要进行电路补偿 7 稳定性稍差 并有老化现象 8 同一型号有 3 5 的误差 12 表 1 热敏电阻的主要技术参数 型 号用 途标称阻值额定功率 时间常数材料常数散热系数 MF 11温度补偿 0 01 150 5 5 MF 13测温控温 0 82 3000 25 4 MF 16温度补偿 10 10000 5 1153900 56007 7 6 RRC2测温控温 6 8 10000 4 203900 45007 7 6 RRC7B测温控温 3 1000 03 0 53900 45007 7 6 根据表 1 所示 选择时间常数 20 材料常数在 3900 4500 的 RRC7B 型号的 热敏电阻温度传感器 随着温度传感器的不断发展 新材料的热敏电阻不断产生 用硼卤化物与 氢还原研制的硼热敏电阻在 700 的高温时仍能满足灵敏度 互换性 稳定性 的要求 CdO Sb2O3 WO3和 CdO SnO2 WO3 两种热敏电阻 解决了负温度系数热 敏电阻存在的非线性问题 3 23 2 测量模块的设计测量模块的设计 3 2 13 2 1 测量模块的组成测量模块的组成 测量模块包括电压 电流输入回路 数据采集回路 单片机控制系统 模 拟基准回路 单片机控制系统是测量模块的核心 输入回路主要由隔离器件 变换电路 放大电路 模拟选项开关电路组成 它将测量仪表与被测电路进行 光电隔离 将输入电阻网络调整到适合于 A D 转换电压所需的信号范围 数据 采集回路是对某一回路的测温点同时采样 测得温度 单片机控制系统是对检 测得的数据进行计算和对检测程序进行控制 模拟基准回路是为 A D 转换器 MAX197 提供高精度 高温定性的电压基准 串行通信电路主要是采用 MAXIM 公 司生产的 MAX1487 串行通信收发器 测量模块组成框如图 2 所示 传感器陈列 多 路 模 拟 转 换 器 单 片 机 多路模拟转换开关 放大A D 13 图 2 测 量 模 块 组 成 框 3 2 23 2 2 数据采集数据采集 数据采集回路是对输入信号进行等间隔的 A D 转换 得到一个电压 电流 序列 以便单片机对其进行数据处理 计算出相应的电量参数求得温度 其测 温控温基本原理如图 3 所示 图 3 测温控温基本原理 3 2 33 2 3 模拟基准回路设计模拟基准回路设计 A D 转换器的基准源是否稳定对其转换精度有较大影响 A D 转换结果用 如下公式计算 3 41023 AGNDREF AGNDin VV VV 8031 单片机的基准源 VREF 可在 4 5 5 5 之间选择 要求可提供 5mA 以上的 电流 我们选用 LM348 5V 精密基准二极管作基准参考源 LM348 为精密 5 0V 并联调整式二极管 稳定电压输出幅度为 5V 左右 非常适合于做低温度系数的 50V 齐纳基准 其动态阻抗仅为 0 6 0 70 范围仅变化 6mV LM348 5V 有 3 个引入端 利用第三个引入端可进行基准电压和温度系数的修正 具有最小温 度系数的 5V 基准电路原理图 14 模拟地 AGND 也会对 A D 转换精度产生影响 AGND 引脚应该接到无干扰的 地线上 并尽量靠近电源 在稳压管两端加 0 1 F 的电解电容也可以有效的减 少参考电压 VREF的波动 如图 4 所示 图 4 LM256 5 0V 温度系数调节电路原理 3 2 43 2 4 信号转换器的设计信号转换器的设计 测量模块采用串行通信协议与上位机通信 由于其输出的是 6V 信号 要 转换成 12V 上位机可以接受的信号 因此必须经过一个信号转换装置 信号转换 器 即起到将测量模块与上位机连接到一起的桥梁作用 信号转换器采用 MAXIM 公司设计的 MAX1487 作为信号接收元件 采用 TIL117 光耦作信号转换器 及隔离元件 以避免信号输出后产生干扰 采用 74LS14 对信号进行整型处理 信号输出选用的是 MAX232 该器件具有长距离传输和较强的抗干扰性能 信号 转换器组成框见图 5 图 5 信号转换器的组成框 3 33 3 动态显示动态显示 时钟日历的设计时钟日历的设计 按照系统的设计要求 粮温要求动态显示 时钟日历 单片机在控制过程中 还需要扩展芯片来完成这些功能 经过比较 利用通用键盘 显示器接口芯片 8279 来实现键盘 显示器接口控制 时钟日历芯片采用 PCF8563 来实现的 测量模块输 入信号 信 号 接 收 收 信 号 隔 离 信 号 整 形 信 号 发 出 上 位 机 15 3 3 13 3 1 键盘键盘 显示器的接口的实现显示器的接口的实现 8279 对键盘部分提供一种扫描工作方式 能对 64 个按键键盘阵列不断扫描 自 动消抖 自动识别出闭合的键并得到键号 能对双键或 N 键同时按下进行处理 显示部分为 LED 或其它显示器提供了按扫描方式工作的显示器接口 可显示多达 16 位的字符或数字 如图 6 所示 图 6 8279 的引脚 8279 中与键盘 显示器扫描有关的基本功能部件如下 1 扫描计数器 扫描计数器有 2 种输出方式 按编码方式工作时 计数器作二进制计数 安译 码方式工作时 扫描计数器的最低 2 位在 8279 内部被译码后输出 为键盘和显示 器直接提供了 4 中取 1 的扫描线 2 键盘去抖动及回复缓冲器 8 根引脚 RL0 RL7 被接到键盘矩阵的行线 在逐列扫描时 当某一键闭合 消 抖电路延时等待 10ms 之后 再检验该键是否仍闭合 3 键盘 RAM 及其状态寄存器 键盘 RAM 是 1 个双重功能的 8 8 位 RAM 它是先进先出 FIFO 存储器 内 部的 FIFO 状态寄存器用来存放 FIFO 的工作状态 如 FIFO 是空还是满 其中有多 少字符 是否操作出错等等 4 显示 RAM 和显示地址寄存器 显示 RAM 用来存放显示数据 共 16B 最多可以存放 16 位的显示信息 在显 示过程中 这些信息被轮流从显示寄存器输出 16 3 3 23 3 2 时钟日历接口的实现时钟日历接口的实现 PCF8563 是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极 低功耗的多功能时钟 日历芯片 PCF8563 的多种报警功能定时器功能时钟输出 功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务 甚至可为单片机提供看门 狗功能内部时钟电路内部振荡电路内部低电压检测电路1 0V 以及两线制I2C 总 线通讯方式 不但使外围电路及其简洁而且也增加了芯片的可靠性同时每次读 写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量 如图7 表2所示 1 宽电压范围1 0 5 5V 复位电压标准值Vlow 0 9V 2 超低功耗典型值为0 25A VDD 3 0V Tamb 25 3 可编程时钟输出频率为32 768kHz 1024Hz 32Hz 1Hz 4 四种报警功能和定时器功能 5 内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路 6 开漏中断输出 7 400kHz I2C 总线 VDD 1 8 5 5V 其从地址读0A3H 写0A2H 图 7 PCF8563 的管脚排列 表 2 PCF8563 的管脚排列描述 符号管角号 描述 OSCI 1 震荡器输入 OSCO 2 震荡器输出 INT 3 中断输出 开漏 低电平有效 Vss 4 地 SDA 5 串行数据 I O SCL 6 串行时钟输入 CLKOUT 7 时钟输出 开漏 Vdd 8 正电源 PCF8563 的基本原理 17 PCF8563 有16个位寄存器 一个可自动增量的地址寄存器 一个内置 32 768kHz 的振荡器 带有一个内部集成的电容 一个分频器 用于给实时 时钟RTC 提供源时钟 一个可编程时钟输出 一个定时器 一个报警器 一 个掉电检测器和一个400kHz I2C 总线接口所有16个寄存器设计成可寻址的8位 并行寄存器 但不是所有位都有用 前两个寄存器内存地址00H 01H用于控制 寄存器和状态寄存器 内存地址02H 08H 用于时钟计数器 秒 年计数器地址 09H 0CH用于报警寄存器 定义报警条件地址0DH控制CLKOUT管脚的输出频率 地址0EH 和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器秒分钟小时日月年 分钟报警小时报警日报警寄存器编码格式为BCD 星期和星期报警寄存器不以 BCD格式编码 当一个RTC寄存器被读时所有计数器的内容被锁存 因此在传送 条件下可以禁止对时钟日历芯片的错读 PCF8563 管脚描述如表2 1 报警功能模式 一个或多个报警寄存器MSB AE Alarm Enable 报警使能位清时相应的报 警条件有效这样一个报警将在每分钟至每星期范围内产生一次 设置报警标志 位AF控制状态寄存器的位用于产生中断AF 只可以用软件清除 2 定时器 位的倒计数器地址0FH 由定时器控制寄存器地址0EH 控制定时器控制寄 存器 用于设定定时器的频率4096 64 1 或1 60Hz 以及设定定时器有效或无效 定时器从软件设置的8位二进制数倒计数 每次倒计数结束定时器设置标志位 TF 定时器标志位TF 只可以用软件清除TF 用于产生一个中断 INT 每个倒 计数周期产生一个脉冲作为中断信号TI TP控制中断产生的条件 当读定时器时 返回当前倒计数的数值 3 CLKOUT 输出 管脚CLKOUT 可以输出可编程的方波CLKOUT 频率寄存器地址0DH 决定方波 的频率CLKOUT 可以输出32 768kHz 缺省值 1024Hz 32Hz 1Hz 的方波 CLKOUT 为开漏输出管脚上电时输出有效无效时输出为高阻抗 4 复位 PCF8563 包含一个片内复位电路当振荡器停止工作时复位电路开始工作在 复位状态下I2C 总线初始化寄存器TF VL TD1 TD0 TESTC AE 被置逻 辑其它的寄存器和地址指针被清 5 掉电检测器和时钟监控 PCF8563 内嵌掉电检测器 当 VDD 低于 Vlow 时 位 VL Voltage Low 秒寄 存器的位7被置用于指明可能产生不准确的时钟日历信息VL 标志位只可以用软 件清除当VDD 慢速降低例如以电池供电达到Vlow 时标志位VL 被设置 这时可能 18 会产生中断掉电检测 6 PCF8563 内部寄存器 PCF8563 共有16 个寄存器其中00H 01H 为控制方式寄存器 09H 0CH 为报 警功能寄存器 0DH为时钟输出寄存器 0EH 和0FH 为定时器功能寄存器 02H 08H 为秒年时间寄存器 各寄存器的位描述 定时器倒计数数值寄存器 定时 器倒计数数值 二进制 PCF8563 与单片机的接口软件及功能按I2C 总线协议规约 PCF8563 有唯 一的器件地址0A2H 如图8所示PCF8563 应用电路原理 PCF8563应用电路原理图 下面首先给出基本的接口软件然后举例说明各种功能应用 图8 PCF8563 应用电路原理 时钟的读取和写入 1 读时钟下面的程序将秒年共七个字节的时间信息读出并放入MRD 为首 址的接收缓冲区中 注意时间读出后需进行整理屏蔽无效位方能得出正确的信 息 RCF8563 MOV SLA 0A2H 取器件地址 MOV SUBA 02H 取读时间的首字节地址从秒开始 读 MOV NUMBYTE 07H 读七个时间信息 LCALL IRDNBYTE 读取时间并放入接收缓冲区中 MOV A MRD 取秒字节 ANL A 7FH 屏蔽无效位 MOV MRD A MOV A MRD 1 取分钟字节 ANL A 7FH 屏蔽无效位 MOV MRD 1 A MOV A MRD 2 取小时字节 19 ANL A 3FH 屏蔽无效位 MOV MRD 2 A MOV A MRD 3 取天字节 ANL A 3FH 屏蔽无效位 MOV MRD 3 A MOV A MRD 4 取星期字节 ANL A 07H 屏蔽无效位 MOV MRD 4 A MOV A MRD 5 取月字节 ANL A 1FH 屏蔽无效位 MOV MRD 5 A RET 2 写时钟下面的程序将2000 年6 月20 日星期3 下午3 点 15 点 59 分 30 秒的时间写入PCF8563 SEND8563 ACALL LOAD8563 将时间装入发送缓冲区 MTD 中 MOV SLA 0A2H 取器件地址 MOV SUBA 00H 取写入寄存器的首字节地址从 00H 开始写 MOV NUMBYTE 09H 写七个时间信息和2 个控制命令 LCALL IWRNBYTE 写时间 RET LOAD8563 MOV MTD 00H 启动时钟 MOV MTD 1 1FH 设置报警及定时器中断 定时器 中断为脉冲形式 MOV MTD 2 30H 以下分别将秒至年的时间写入 发送缓冲区中 MOV MTD 3 59H MOV MTD 4 15H MOV MTD 5 20H MOV MTD 6 02H MOV MTD 7 06H MOV MTD 8 00H 20 RET 主要功能的应用 PCF8563是一多功能时钟芯片 必须谨慎的使用这些功能 其中最主要的就是正确的设置功能参数 否则会产生意外的错误 下面给出一 些可能会用到的设置程序 1 报警功能的设置 PCF8563共有四种报警方式 分别为小时报警每小时的同一分钟时刻报警 日报警每天的同一小时时刻报警 月报警每月的同一天时刻报警和星期报警每 星期的同一天时刻报警 发生报警时AF位变为1 设置报警有效的方法是将相应 报警寄存器的最高位AE置0 若同时置AIE 1则在AF置1的同时将在 INT引脚产生 一个中断低电平 有效清除中断信号的方法是软件清AF 由此看出AIE相当于单 片机中的中断允许控制位而AF相当于中断申请标志位 2 定时器功能的设置 PCF8563的定时器为倒计数定时器 当TE 1时有效 倒计数值为0FH中的的二 进制数 当倒计数值计为0时TF位置1 若同时置TIE 1则在TF置1的同时将在 INT引脚产生一个中断 低电平有效与报警中断不同的是定时器中断信号有两 种方式 由TI TP位控制 设置TI TP 0中断信号和报警中断信号相同均为低电 平方式 置TF 0可清除中断信号 设置TI TP 1则中断信号为脉冲方式 其脉冲 低电平宽度约为15ms 此时可不考虑TF位的影响 由此看出TIE相当于单片机中 的定时中断允许控制位 而TF相当于定时中断申请标志位 注定时器功能可以 和报警功能同时有效 3 43 4 ICIC 接口电路的设计接口电路的设计 为了确保粮仓询查人员准确 及时的到达粮库 并且记录下来当时的粮情 让粮仓管理人员更好的对粮情进行监控 我们在系统中添加了签到部分 这样 不仅可以准确的记录下来询查时刻的粮情 还可以确定询查人员是否负责 有 没有及时的对粮仓进行询查 签到部分我们采用了 IC 卡技术 选择了 SLE4442 芯片 SLE4442 为加密存 储卡 容量为 256 byte 总密码核对正确之后 才可以对卡读写操作 该卡前 32 字节可进行写保护位操作 总密码错误计数器值为 3 核对错误一次 减 1 操作 若计数值为 0 整卡数据锁死 若 3 次内有一次核对正确 则计数器恢 复初值 SLE4442 特性与 4442 相似 但无密码操作功能 3 4 13 4 1 SLE4442SLE4442 芯片特点芯片特点 1 采用多存储器结构 21 2 2 线 连接协议 串行接口满足 ISO 一 7816 同步协议 3 芯片采用 NMOS 工艺技术 每字节的擦除 写人编程时间为 2 5m s 4 存储器具有至少 104 擦除 写人周期 数据保持时间至少 10 年 SLE4442 芯片内部存储器 逻辑加密存储卡的逻辑加密功能和存储功能是 由其内部逻辑结构决定的 SLE4442 型芯片内部存储器 结构如图 10 所示 包含三个存储器 256 x 8 位 EEPROM 型主存储器 32x1 位 PROM 保护型存储器 4x8 位 EEPROM 型存储器 图 7 SLE4442 型 IC 卡内部存储器结构 图9 SLE4442芯片 SLE4442芯片的操作命令 每条命令包含三个字节 其排列顺 序如表3所示 MSB 控制字 LSB MSB 地址字 LSB MSB 数据字 LSB 表 3 SLE4442 芯片的操作命令 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 命令的传达总是从控制字节开始 首先传送字节的最低位 LSB 即 B0 位 控制字节传送完毕之后 依次传送地址字节和数据字节 传送顺序均