一種多通道環(huán)境溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過(guò)程中常需對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。采用微型機(jī)進(jìn)行溫度檢測(cè)、數(shù)字顯示、信息存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)控制，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要的作用?？紤]到許多工業(yè)環(huán)境中對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)控，一般需要測(cè)量幾十個(gè)點(diǎn)以上，為此，我們研制了一種采用 AT89C52單片機(jī)進(jìn)行控制的多通道溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

2、硬件的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由溫度采集電路、單片機(jī)、按鍵、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成，成對(duì)溫度信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)，控制系統(tǒng)的工作的功能。原理框圖1所示。

         圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

3、 溫度采集電路的設(shè)計(jì)與分析

3.1 傳感器的選擇

在選擇溫度傳感器時(shí)，應(yīng)考慮的主要因素有溫度測(cè)量范圍、精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、線性度和靈敏度。目前，應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和PN結(jié)型溫度傳感器。

熱電偶由兩種不同的金屬構(gòu)成，它們的一端熔接在一起形成一個(gè)敏感結(jié)，溫度變化時(shí)將有一個(gè)相應(yīng)的熱電勢(shì)產(chǎn)生，使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)容易引入誤差（冷端誤差）。熱電阻傳感器電阻值隨溫度增加而增加，最常見(jiàn)的構(gòu)成材料是鉑、鎳或銅，其線性度好，但價(jià)格較高，阻值小，連入測(cè)量電路中須考慮引線電阻影響。PN結(jié)型溫度傳感器利用了在一定的電流模式下，PN 結(jié)的正向電壓與溫度之間有很好的線性關(guān)系這一特征，測(cè)溫精度高。

熱敏電阻由鈷、錳、鎳等金屬的氧化物以不同配方高溫?zé)Y(jié)而成，包括正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC），負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和在某一特定溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR），在溫度測(cè)量中主要采用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 應(yīng)用較多。熱敏電阻的阻值隨溫度變化而迅速變化，且阻值較大，如應(yīng)用于野外測(cè)量，幾十歐的引線電阻對(duì)測(cè)量影響較小，可忽略不計(jì)，非常適合測(cè)量微弱溫度變化。但是非線性嚴(yán)重，使用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。由于本系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)多，考慮價(jià)格等多種因素，選用NTC型熱敏電阻較為合適。

3.2 測(cè)溫電路的組成

選用珠狀熱敏電阻，外面套銅殼，中間灌導(dǎo)熱沙，用膠封口連線使用。溫度電壓轉(zhuǎn)換電路由不平衡電橋?qū)崿F(xiàn)，放大電路采用LF347四運(yùn)放芯片，構(gòu)成差分放大電路，將電橋輸出電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)地電壓。采用八選一的模擬開(kāi)關(guān)CD4051，三個(gè)地址選擇引腳，兩片組成8×8矩陣，可連接64路溫度傳感器。CD4051電子開(kāi)關(guān)閉合時(shí)漏泄電流很低，導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通電阻也比較低，當(dāng)輸入?yún)⒖茧妷?plusmn;5V，導(dǎo)通電阻在160歐姆左右，輸入電壓正負(fù)都可以工作，效果比較理想。整體電路圖如圖2所示，其中最左側(cè)兩個(gè)端子用于連接熱敏電阻，電橋中的電位器用于調(diào)平電橋，對(duì)地電壓輸出后至最右端可接A/D轉(zhuǎn)換器。

                  圖2 溫度測(cè)量電路

3.3  A/D轉(zhuǎn)換部分、顯示器件和存儲(chǔ)設(shè)備

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用美國(guó)德州儀器公司的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543，具有11路模擬輸入通道，在工作范圍內(nèi)10us的轉(zhuǎn)換時(shí)間，三路內(nèi)置自測(cè)試方式，最大線性誤差±1LSB，單雙極性輸出，具備可編程的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和MSB、LSB前導(dǎo)。性能價(jià)格比合適，轉(zhuǎn)換精度較高，因此適用于各種儀器儀表之中。

由于需要顯示漢字，例如“XX號(hào)空氣溫度XX.X”，字體采用16×16點(diǎn)陣形式，顯示器件采用192×64點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊，電壓較低，功耗比較小，電路連接簡(jiǎn)單，控制語(yǔ)句只有七條，便于單片機(jī)編程。

存儲(chǔ)設(shè)備選用RAMTRON公司生產(chǎn)的鐵電存儲(chǔ)器FM3164，一種集成了存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗定時(shí)器、低電壓提前報(bào)警、手動(dòng)復(fù)位去抖等許多單片機(jī)伺服電路，64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決了許多問(wèn)題。鐵電存儲(chǔ)器采用了先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)，使擦寫次數(shù)超過(guò)了1億次，使用壽命長(zhǎng)，為存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)提供了方便。溫度信號(hào)包括數(shù)據(jù)2字節(jié)，通道號(hào)1字節(jié)，月、日、時(shí)、分?jǐn)?shù)據(jù)4字節(jié)，每天1小時(shí)采集一次，1個(gè)月總共30×24小時(shí)，1個(gè)月共需要存儲(chǔ)量(64×3+4)× 30×24/1024≈130KB，鐵電存儲(chǔ)器空間不夠時(shí)，可再擴(kuò)展一片AT29C040海量存儲(chǔ)器512KB，可轉(zhuǎn)存兩個(gè)月的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

                圖3 溫度采集系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.4 測(cè)溫元件的溫度特性分析與線性化處理

熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系可用以下公式表示：

可見(jiàn)αT是隨溫度的降低迅速增大，因此適用于本系統(tǒng)中測(cè)量相對(duì)較低溫度。

熱敏電阻的線性化方法有很多種，分為硬件線性化方法和軟件線性化方法。硬件線性化方法采用串并聯(lián)電阻的方法對(duì)熱敏電阻進(jìn)行線性化，軟件線性化方法可采用查表法讀取溫度值。串并聯(lián)電阻可在某一溫度區(qū)間（如0℃～50℃）獲得較好的線性化效果。

以串聯(lián)電路為例，由圖4可列出串聯(lián)電路分壓的電路方程：
 

并聯(lián)電路經(jīng)推導(dǎo)得出的電阻值表達(dá)式與（7）式相同。由上式得到的并聯(lián)電阻值與熱敏電阻并聯(lián)，得到的并聯(lián)電阻值，從阻值與溫度曲線可看出，在常用溫度測(cè)量區(qū)間（0℃～50℃）左右，熱敏電阻的阻值的線性化程度有了明顯的改善，如圖5所示。

只采用硬件的處理并不能較為理想地解決線性化的問(wèn)題，必須采用軟件方法進(jìn)行線性化補(bǔ)償校正，并聯(lián)電阻后使曲線較為平坦，但相鄰溫度（1℃）之間的電阻差值變小，再連入電橋后相鄰溫度之間的電壓差值變小，從而會(huì)影響測(cè)量溫度的分辨率。因此，直接將熱敏電阻連入電橋中，平衡溫度為25℃（電阻 10KΩ），將熱敏電阻放入恒溫浴槽中，改變溫度值測(cè)定電壓值，多次測(cè)量選擇較為理想的數(shù)據(jù)，溫度—電壓數(shù)據(jù)表格和曲線如表1、圖6所示。

由圖可以看出，在常用溫度范圍內(nèi)（0℃～40℃），溫度與電壓之間的線性關(guān)系較好，相鄰溫度（1℃）之間電壓差值為40mv左右。處理數(shù)據(jù)可采用多項(xiàng)式擬合的方法，得出溫度與電壓之間的函數(shù)關(guān)系式。本系統(tǒng)采用查表的方法，在測(cè)量范圍內(nèi)，以1℃為間隔，將所測(cè)量的數(shù)據(jù)列表存儲(chǔ)在ROM中。若測(cè)量溫度在兩個(gè)電壓數(shù)據(jù)之間，則采用逐次插值的方法，先計(jì)算相鄰兩點(diǎn)之間的斜率，再根據(jù)兩點(diǎn)之間的直線方程計(jì)算溫度值，由公式8得出，溫度采集的程序流程如圖7所示。 

為了進(jìn)一步減小測(cè)量誤差，可采用平均值濾波方法，即反復(fù)測(cè)量某一通道的電壓值，得到多個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，再由上述方法得到溫度值。由于測(cè)量精度限制，顯示結(jié)果到小數(shù)點(diǎn)后一位，為軟件計(jì)算補(bǔ)償值。

4 、結(jié)束語(yǔ)

本多通道溫度采集系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，能夠很好地巡回采集測(cè)量多路信號(hào)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本低，外接元件少。在實(shí)際應(yīng)用中工作性能穩(wěn)定，測(cè)量溫度準(zhǔn)確，精度較高。系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮到了可擴(kuò)展性，經(jīng)過(guò)一定的添加或改造，很容易增加功能，如從單片機(jī)主芯片串行口連接RS232轉(zhuǎn)換芯片MAX232與PC機(jī)相連，完成溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳遞和其他控制工作。適用范圍廣泛，可以單獨(dú)使用作為監(jiān)控儀，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)的環(huán)境變化，工業(yè)廠房測(cè)量各部分的工作溫度等等。也可以作為智能控制系統(tǒng)的一部分，與其它設(shè)備協(xié)同工作。系統(tǒng)移植性強(qiáng)，只需改變前端測(cè)量用的傳感器類型，可在此基礎(chǔ)上修改為其 他非電量參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)。

            圖7溫度采集的程序流程

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