矿用温传感器的研究

1、 学 士 学 位 论 文矿用温度传感器的研究姓 名：李霞学 号：200905120314指导教师：张兴坊院系(部所)：光电工程学院专 业：电子信息工程完成日期：2013年 5月25日学 士 学 位 论 文矿用温度传感器的研究姓 名：李霞学 号：200905120314指导教师：张兴坊院系(部所)：光电工程学院专 业：电子信息工程完成日期：2013年05月25日 摘 要矿用温度传感器的主要目的是为了检测煤矿井下环境温度，它可以连续将井下温度信号转换成标准频率信号传送给上位机，并具有实时显示温度值、超限声光报警、频率信号输出等功能。适宜于井下需设置温度传感器的场所固定使用。本文在分析当前国内外温度

2、传感器概况的基础上结合矿用温度传感器通用技术条件的设计要求，提出了总体设计的方案，并对系统的理论基础、实现方法、硬件和软件设计等做了详细的讨论。系统选择 DS18B20 作为测温传感器，以单片微机AT89C52 为中央处理单元，由温度采集电路、数字显示电路、声光报警电路、信号输出电路等单元组成。软件设计采用模块化编程方法，软件程序的编写使用汇编语言及Keil C 的集成开发环境，主要子程序有：主监控程序、数据测温子程序、数据处理子程序、信号输出子程序、遥控子程序等。同时，在软硬件设计时均采取了有效的抗干扰措施。关键词:温度传感器；煤矿；DS18B20；红外遥控 AbstractMine is

3、the primary purpose of a temperature sensor to detect coal mine underground environment temperature, it can continuous to downhole temperature signal is converted into standard frequency signal transmitted to the PC, and a real-time display temperature, transfinite sound and light alarm, frequency s

4、ignal output, and other functions. Suitable for the underground where set temperature sensor should be fixed.Based on the analysis of the current situation on the basis of the temperature sensor at home and abroad combined with the general technical conditions of mining temperature sensor design req

5、uirements, and proposed the overall design scheme, and the system of theoretical basis, realization method, design of hardware and software, etc. Discussed in detail. Choose DS18B20 as temperature sensor, single chip microcomputer AT89C52 as the central processing unit, by the temperature acquisitio

6、n circuit, digital display circuit, sound and light alarm circuit, signal output circuit units, etc. Software design using modular programming method, a software program written in assembly language and integrated development environment Keil C, main subroutine: WenZi main monitoring program, data,

7、test procedures, data processing subroutine, signal output subroutine, remote control subroutine, etc. At the same time, the hardware and software design are adopted effective anti-interference measures.Key words: temperature sensor; Coal mine; DS18B20; Infrared remote control目 录第一章 传感器的简介61.1传感器的概念

8、与分类61.2温度传感器的简介1第二章 矿用温度传感器的设计22.1温度传感器的设计2原理和功能描述2硬件设计32.1.3 AT89C52 单片机接口配置42.1.4 DS18B20测温电路设计52.1.5 显示电路7稳压源电路82.2 软件设计9主程序9初始化子程序10数字测温系统子程序11显示子程序12第三章 总结与展望14参考文献15致 谢17第一章 传感器的简介1.1传感器的概念与分类随着现代科技的发展，传感器技术的应用已经越来越广泛了。而在传感器家族中有着一位地位非常重要的成员温度传感器的应用也深入了各个领域。从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号

9、的装置；简单的说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以传感器由信号感受器和信号转换器组成，它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号（如电信号和光信号），有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲可分为:物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应;化学类，基于化学反应的原理;生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类1。传感器分类方法有很多，我们一般是按被测的参数分

10、和按变换原理来分。按被测的参数可分为热工参数:温度、比热、压力、流量、液位等;机械量参数:位移、力、加速度、重量等;物性参数:比重、浓度、算监度等;状态量参数:颜色、裂纹、磨损等。温度传感器就属于热工参数这一类。1.2温度传感器的简介温度传感器是开发较早，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半

11、导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器2。现在随着原材料和加工技术的飞速发展，又相继研究出了各种温度传感器。温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式传感器又分为常用热电阻、管缆热电阻、陶瓷热电阻和热敏电阻器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件

12、有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差3。非接触式温度传感器分为光谱高温计、辐射高温计、超声波温度传感器和激光温度传感器。而非接触测温的测温元件与被测对象却互不接触。目前最常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大4。除了非接触式温度传感器和接触式温度传感器，还有微波测温温度传感器、温度图测温温度传感器、噪声测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、核去磁测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计等温度传感器，这些测温计有的已获得应用，有的还在研制中5。随

13、着工业生产效率的不断提高，自动化水平与产业应用范围也在不断扩大，因而对温度传感器的要求也在不断提高。（1） 提高温度传感器的精度和可靠性。（2） 研制家用电器、汽车和农蓄业所需要的价廉物美的传感器。（3） 发展新型产品，扩展和完备管缆热电偶和热电阻，发展薄膜热电偶，研究节省贵金属以及厚膜铂电阻，晶体管测温元件，快速高灵敏CA型热电偶以及各种非接触式温度传感器。（4） 发展适应特殊测温要求的温度传感器。（5） 发展数字化、集成化和自动化的温度传感器6。第二章 矿用温度传感器的设计2.1温度传感器的设计原理和功能描述矿用温度传感器将测得的温度值通过一线总线输入到微控制器中，微控制器将采集到的温度值

14、处理，获得高精度的测量结果，送LED数码管显示，同时计算出对应的频率信号，输出给监控系统的工作站，上传给监控主机。如果检测温度超过传感器的温度报警设定值，则发出声光报警提示。测温电路放大滤波模数转换温度信号遥控调校微控制器LED显示频率输出声光报警数字化温度传感器DS18B20 图2-1 矿用温度传感器系统框图硬件设计在主CPU电路设计中，我们选用了AT89C52 作为主控芯片。频率输出方式是推荐方式；并且矿用温度传感器以频率的方式向其传输信号18。而AT89C52 的P1.0 口恰好可直接输出占空比为50的方波，利用P1.0 输出由温度转换成的频率值，这对电路设计与编程都提供了很大的方便。故

15、在设计中选择用AT89C52 的P1.0 口来输出与温度值对应的频率，以供其上位机接收、处理。主CPU电路由频率输出电路、温度测量电路、看门狗电路、遥控电路、稳压电源、显示电路、报警电路等几部分组成。图 2-2 主CPU电路结构图2.1.3 AT89C52 单片机接口配置AT89C52 是美国ATMEL公司生产的一个低电压、高性能8 位CMOS单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8 位的中央处理

16、器(CPU)和Flash存储单元，功能非常强大，AT89C52 单片机对于许多比较复杂的控制应用场合来说很适合19。C51系列的单片机有着丰富的资料以及AT89C52 组成系统也不需要去扩展程序的内存，给客户带来了很多方便。AT89C52 提供8K字节的FLASH ROM, 256字节的RAM, 32线的I/O口，3个16位的定/计数器，6向量两级中断，还有一个全双工的串行口，以及片内振荡器和时钟电路等20。P1.0 P0.0 P1.3 P0.6 P2.7P1.7 P2.0RESET XTAL1 P2.3XTAL2 P2.4LED段选线小数点位选线LED位选线频率信号输出测温信号输入看门狗输入

17、复位信号输入外接晶振声光报警信号图 2-3 AT89C52系统接口配置图 DS18B20测温电路设计因为DS18B20测温系统具有测温系统简单、测量温度的精度很高、连接又非常方便、占用口线很少这些优点，所以选用DS18B20作为其测温系统。DS18B20为一线总线器件，在设计电路时只需连通一条I/O线(即DQ数据线)与主CPU的某一个端口就可以了，之后就是根据时序和通讯协议来进行编程。所以它的电路的设计主要选用电源供电的方式，才能实现最优的测量结果。DS18B20供电的方式是两种：一个是外部电源供电，另一个是寄生电源供电21。(1) 外部电源的供电方式及其电路的连接 在外部供电这种方式中，DS

18、18B20是直接通过VDD端和外部供电的电源相连。这种方式比寄生电源供电的优点在于，在温度转换的时候，不用MOSFET的上拉作用，一线总线能够随意的传送其它信息。外部电源供电方式连接如图2-4所示：DS18B20GND DQ VDD微处理器微处理器VPU4.7K一线总线VPU给其他的一线设备 图 2-4 DS18B20外部供电方式图(2) 寄生电源的供电方式及其电路的连接 在这个供电方式中，DS18B20能在一线总线是高电平的时候，通过DQ端口得到供电，并同时为其内部的寄生电容Cpp充电；而当一线总线是低电平的时候，可以通过其内部的寄生电容Cpp提供足够的工作电流。 从原理上分析，在DS18B

19、20内部执行温度转换或者从数据缓储器复制数据到E2PROM时，其工作的电流可以达到1.5mA，这个时候寄生电容Cpp不能提供足够的电流，要靠MOSFET直接上拉总线来提供充足的电流，并且必须在发出温度转换命令或复制命令之后最大10S之内完成上拉的切换，这样才能保证温度转换或复制数据的正常进行。 此外，DS18B20在寄生电源供电方式下，VDD端必须与GND 端相连。寄生电源供电方式如图2-5所示：VPUDS18B20GND DQ VDD微处理器微处理器VPU4.7K一线总线给其他的一线设备MOSFET图 2-5 DS18B20寄生电源供电方式图在设计DS18B20测温电路时，考虑到DS18B2

20、0在执行温度转换或读写E2PROM时电流高达1.5mA，还有对时序严格的要求和抗干扰的措施。为了避免测温时序的出错，并以最优化、最可靠的方式来设计硬件电路与软件编程，我们应该选择使用外部供电方式对DS18B20进行供电。(3) DS18B20的电路驱动设计 根据定义，单线总线只有一根线，这意味着总线上的每一个器件只能够分时驱动单线总线，并且要求每一个器件必须要具有漏极开路输出或者三态输出的特性，DS18B20的单线接口DQ端属于漏极开路输出。在单线总线上必须接上拉电阻，其电阻值约为5K(标称值可取5.1K或4.7K)。DS18B20 与主CPU 的电路接法如图2-6所示（TX、RX 分别表示发

21、送与接收）。图 2-6 DS18B20与主CPU连接方式图从时序上分析，单线总线在空闲状态下呈高电平。操作单线总线时，必须从空闲状态开始。单线总线加低电平的时间超过480S时，总线上所有的器件均被复位。当CPU发出复位脉冲之后，从属器件就发出应答脉冲，来通知主CPU它已经做好了接收数据和命令的准备。 显示电路显示输出是智能仪器系统必不可少的输出设备，是控制系统与操作人员之间的交互窗口。智能仪器必须具有方便的人机交互功能，这样操作人员可以通过系统显示的内容，及时掌握系统的状态、获得所需要的信息。常用的显示器有LED、LCD、CRT等。本着经济、实用的原则，系统采用LED 显示器。LED显示器，具

22、有价格低、寿命长、对电压电流的要求低及容易实现多路等优点。4 位LED显示器有4根位选线和8×4段选线，段选线控制字符选择，位元选线控制显示位元的亮、暗。在此选用动态显示，LED动态显示电路单片机接口电路如图2-7所示图 2-7 LED显示电路4位LED 动态显示需要一个8位I/O口和另外4位I/O口，其中一个控制段选码，另外一个控制位的选码。由于所有位的段选线皆有一个I/O口控制，因此每个瞬间，只能显示相同的字符，可采用扫描显示方式使在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，用1K的上拉电阻控制I/O输出相应字符段依次显示。用上拉电阻控制I/O输出相应字符的段选码，位选择控制I/

23、O在显示位元送入选通电平(在此为共阴极，即选通电平为低电平)以保证该位显示相应字符，如此轮流，使每位显示该位应显示字符并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，看起来不会有闪动的感觉。我们用低3位来显示温度值，高1位为方式选择位。其中温度值包括一位小数位与二位整数位，可显示的温度范围为：0.0099.9，而系统只选用：0.050.0。稳压源电路矿用温度传感器系统是由井下分站输出的直流7-18V来供电，它经三端稳压器LM7805稳压后输出+5V后，然后再供系统使用。为了保证矿用温度传感器的稳定工作，对供电电压精度有一定要求，稳压源电路如图2-8所示：图2-8：稳压源电路2.2 软件设计主程序系统软

24、件主程序是传感器进行测温的主监控程序，按照软件模块化设计的原则，将系统功能划分为多个子任务，每个子任务由对应的子程序来实现；再将这些子程序有机地整合在一起，从而实现温度采集等各功能。系统软件主要包括：首先是初始化子程序，然后是通过调用各子程序(包括获取温度子程序、频率输出子程序、码制转换子程序、显示子程序、延时1ms 子程序等)分别完成温度测量、LED 数码显示、声光报警、频率输出等一系列功能。开始调用初始化子程序调用获取温度子程序调用码制转换子程序调用显示子程序调用频率输出子程序调用延时1ms 子程序图2-9：主程序流程图MAIN: LOOP: LCALL MAIN_INIT ；调用初始化子

25、程序 LCALL GET_TEMPER ；调用获取温度(GET_TEMPER)子程序 LCALL FRE_OUT ；调用频率(FRE_OUT)输出了程序 LCALL BIN_BCD ；调用码制转换(BIN_BCD)子程序 LCALL DISPLAY ；调用显示(DISPLAY)子程序 LCAL L DELAY1 ；调用延时(DELAY1)1ms 子程序 LJMP LOOP 初始化子程序在这一部分，我们设置了对看门狗电路MAX813L的初始化及控制操作，也就是说，在程序正常运行时，每隔一定时间程序AT89C52要对MAX813L发出脉冲信号，使其计数器不断清零，从而判断程序是正常执行的。 如果M

26、AX813L在规定时间内没有收到AT89C52的P1.6引脚发出的脉冲信号，则表明程序出现了异常（如程序"弹飞"），MAX813L内部的计数器将会溢出，1.6秒之后MAX813L就会控制其RESET引脚向AT89C52的RESET输出一个复位信号，使系统自动回复到正常运行状态，使程序不致出现"死锁"现象。 初始化子程序如下： MAIN_INIT: ；以下是对看门狗MAX813L 进行初始化操作的子程序 NOP NOP NOP SETB P1.7 ；发送复位脉冲给MAX813L NOP NOP NOP CLR P1.7 NOP RET 数字测温系统子程序首

27、先由主CPU发出一个复位脉冲，然后由从属器件发出应答脉冲，通知主CPU复位成功。初始化时主CPU先发出一个复位脉冲，此脉冲延时的时间最小为480S，将单线总线上的所有DS18B20复位；然后释放单线总线，改成接收状态，单线总线被上拉电阻R拉成高电平；在检测到此上升沿后。DS18B20需要等待1560S才向主CPU发出响应脉冲，此响应脉冲的延时时间在60240S之间。在主CPU释放总线开始的至少480S的时间内，都算是感温元件的响应时间，而且DS18B20必须在此时间内完成复位，响应主CPU，这样才算复位成功。 延时检测DS18B20存在？N DQ0DQ=0开 始DQ清0延时652µs

28、，CPU复位脉冲DQ置1，拉高数据线置标志位FLG1清标志位FLG1置位DS18B20数据线DQ返回Y延时等待DS18B20拉低DQ,响应MCUNY开始调用初始化DS18B20子程序DS18B20存在？跳过ROM检测命令（OCCH）写入到DS18B20中发出温度转换命令（44H）写入到DS18B20中延时，调用显示子程序等待温度转换的结束调用初始化DS18B20子程序，准备读取转换后的温度值跳过ROM检测命令（OCCH）写入到DS18B20中发出读取温度命令（0BEH）写入到DS18B20中调用读DS18B20子程序读取转换后的温度值返回图2-10：数字测温子系统流程图显示子程序一般地，对一个

29、监控系统而言，当前监测数据的显示是系统必不可少的组成部分。这样可以直观地将结果显示，是人机交互的最佳输出方式。 我们设计的显示子程序是对温度传感器DS18B20采集的数据进行显示，通过P2口的03端口来控制相应的位，并根据转换来的数值调用相应的段码送去显示。每一位显示需先去段码表取相应段码，然后送到P2口即可。显示子程序部分的流程图如图2-11所示： 显示子程序部分代码如下： DISPLAY: CLR C ；温度大于等于20，报警 MOV A,TEMP_L CJNE A,#20,AA1 CLR P2.4 LCALL DELAY0 LJMP AA0 AA0： MOV DPTR,#INT_TABL

30、E RET YN开始返回温度T20?计算每位显示数值分别送33H-30H开百位显示，显示个位开十位显示，显示个位开个位显示，显示个位小数点开小数位显示，显示小数位报警输出 图2-11：显示子程序流程图第三章 总结与展望 随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对温度传感器的要求也越来越高，归纳起来有以下几个方面1、扩展测温范围目前工业常用的测温范围为-200-3000，随着工业的发展，对超高温、超低温的测量要求越来越迫切，如在宇宙火箭技术中常常需要测量几千度的高温。2、提高测量精度随着电子技术的发展，信号处理仪表的精度有了很大的提高，特别是微型计算机的使用使得对信号的处理精度更

31、加提高。3、扩大测温对象随着工业和人们日常生活要求的提高，现在已由点测量发展到线、面测量。在环境保护、家用电器上都需要各种各样的测温仪表。4、发展新产品，满足特殊需要在温度测量中，除了进一步扩展与完善管缆热电偶、热电阻，以及晶体管测温元件、快速高灵敏度的普通热电偶外，而且根据被测对象的环境，提出了许多特殊的要求。如防硫、防爆、耐磨的热电偶，钢水连续测温，火焰温度测量等。5、显示数字化温度仪表不但具有读数直观、无误差、分辨率高、测量误差小的特点，而且给温度仪表的智能化带来很大方便。6、检定自动化由于温度校验装置将直接影响温度仪表质量的提高，值得在这方面花大力气进行研究。我国已研制出用微型机控制的

32、热电偶校验装置。 参考文献1沙占友. 智能化集成温度传感器原理与应用.机械工业出版社J. 2002-7-1, 17(3):74-77.2沙占友.智能化温度传感器的原理与应用J.集成电路通讯.2001，38(3):18-20. 3 马宝峰,王兵,邓学蓥等.基于现场总线和智能变送器的风洞气流参数测量系统研制J.实验流体力学,2010,24(2):83-87. 4 Jing Zhong,Wenzhong Liu,Zhongzhou Du.A noninvasive,remote and precise method for temperature and concentration estimati

33、on using magnetic nanoparticlesJ. 2012，35(3):1-10. 5 黄英,刘平,廉超等.炭黑填充导电橡胶的温度传感器灵敏系数J.复合材料学报,2012,29(3):30-35. 6 宋念龙,李琦,张新雨等.基于红外传感器阵列的智能温度传感器研究J.传感技术学报,2010,23(12):1713-1717. 7 余向东,张在宣,祝海忠等.采用智能温度补偿电路的分布式光纤喇曼温度传感器J.光子学报,2011,40(12):1870-1874. 8 王书杰,陈海燕.智能温度传感器系统研究J.泰州职业技术学院学报,2010,10(3):3-5.9 谭福年. 常用传感器应用电路J.电子科技大学出版社，1996, (23):143.10 Yong Shi,Changtao Wang,Kuan Huang.Study On Human-simulated Intelligence controller of the boiler-Based on SCMJ. The 13th IEEE Joint International Computer Scien