多点温度检测系统Word文件下载.docx

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经过各项实验测试，该系统的性能指标不仅全部达到了任务书的基本要求，而且在各检测单元具有独立的非掉电的系统时钟、主控器所带检测器容量、增加的温度超限声光报警、与PC机通信等多方面达到或超过发挥部分的要求。

该系统根据需要，稍加改造可方便地移植于压力、液位、流量等方面的检测场合。

一、方案的比较与电路选择

根据竞赛设计任务的总体结构框图，构成多点温度检测系统的总体方案是采用主从网络式结构，为考虑目前工业现场的各类智能分站大多采用PC机作为上位微机，因此，我们对本方案进行修改，修改后的方案是将题目要求的主控器单元与我们增加的PC机功能并列，从而实现PC机在参数设置（包括系统检测器的容量设置、各检测器的系统时钟设置，温度报警值的设置等）、各检测器的温度历史数据、报警记录以及形象直观的温度工作曲线（可调出观察也可打印存档）等方面的优势。

具体修改后的结构框图如下图一所示：

图一系统框图

除了总体方案的改进之外，根据题目的要求，本系统的硬件制作的部分主要是主控器和检测器两部分，而且，分析题目的所有设计要求，本系统为典型的单片机检测应用系统，而原先采用的模拟式和数字式都很难实现本系统所有的功能，因此，本系统上述两部分硬件的方案我们直接采用智能式的单片机系统，根据题目的要求，我们采用的主控器和检测器的结构简图见下图二所示。

检测器部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大器、A/D转换电路、看门狗和存储器电路、时钟电路、显示电路、声光报警电路以及与主控器或PC机的通信电路等。

图二中虚框内的部分为主控器的结构简图，它与检测器在硬件上的主要区别是少了检测器的温度信号的获取、调理电路以及A/D转换电路，多了键盘电路。

图二主控器和检测器结构简图

下面对各部分的电路设计与选择介绍如下：

⑴传感器的选择

温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。

在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。

常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。

近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55～+125℃，而且温度的测量精度都不高，好的才±

0.5℃,一般有±

2℃左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。

热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。

常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。

热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。

非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。

目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。

由于本课题的任务要求测量的范围为0℃～400℃，测量的分辨率为±

0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从－200℃～＋650℃。

具体的分度特性表见附录Ⅱ所示。

⑵CPU的选择

用微型计算机渗透到测试领域并得到充分发挥，是现代测试技术发展的必然趋势，也是目前作为智能仪表的设计的一般方法，目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分主要有8位机、16位机、32位机，其中的32位单片机近年来在信号分析与处理、语音处理、数字图象处理等数字信号处理运用领域得到广泛的运用，但在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机，对本课题涉及的高精度多路温度的测量，运用单片机的主要目的是构成一个具有一定判断、运算能力以及具有存储、显示、通信等功能的智能测量仪表，它所处理的信息量和复杂程度由于是温度因而用8位机已经足够了。

目前，生产单片机的厂商有很多，尤其是近年来微电子技术、计算机技术的飞速发展，比较著名的有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Zilog、Atmel等半导体企业。

在上述著名的半导体企业产品中，尤其在工业测控场合，运用较多的为Intel公司的MCS-51系列，Microchip公司的PIC系列，近年来，随着Intel公司对8031内核的公开以及各半导体企业在关键技术上的相互渗透，不仅Intel公司，而且Philips公司、Atmel公司等企业目前都生产MCS-51系列的CPU。

近十年来在工业测控领域，国内运用最多的恐怕是Atmel公司的AT89系列，它的标准型产品不仅在指令上，而且在管脚上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一代CPU8031，并在片内存储器、振荡电路、功耗、软件加密以及内置看门狗等技术水平上均有很大程度的提高，使国内的智能仪表行业的设计与开发者越来越感到使用和设计上的方便。

根据我们学生掌握的程度，本设计最终选用ATMEL最新的8位单片机AT89S52作为本系统的CPU。

下面简单地介绍一下89S52的特性：

与MCS-51产品兼容，包括引脚；

8K字节可编程闪速程序存储器，寿命：

1000写/擦循环；

全静态工作：

0～33MHz；

3级程序存储器加密锁定；

256×

8位内部RAM；

32条可编程I/O线；

两个16位定时器/计数器；

8个中断源；

可编程串行通道；

低功耗的闲置和掉电模式，从掉电模式中断恢复；

看门狗定时器；

双数据指针；

断电标志等。

⑶A/D转换器的选择

在智能仪表中，对一般的模拟信号处理为能被计算机所接受的数字信号，无外乎以下两种方式，要么A/D转换，要么V/F转换，对于在工业上对现场的信号需要远距离传送的信号，我们经常采用频率信号传输，但在本设计课题，我们用最常用的A/D转换作为我们模拟信号变换成数字信号的基本思路。

对于A/D转换来说，最重要的2个技术指标是转换的速度以及转换的精度。

由于本系统的分辨率指标为0.1℃，而测量的温度范围为0～400℃，因此必须采用12位以上的A/D转换器，对于速度，由于测量的物理量是温度，因此一般的都能满足，常用的12位以上的A/D转换器有ICL7135、AD574、TLC2543等，ICL7135、AD574由于与CPU的接口是并行接口，因此，相对结构复杂，在短时间的比赛中，考虑工艺的问题而不宜采用，而且AD574的价格也相对较贵，这里，我们选择结构简单的串行输出的TLC2543作为A/D转换器件，TLC2543是带串行控制和11个输入端的12位开关电容逐次逼近模数转换器，具有片内采样－保持功能，转换结束标志引脚指示转换的完成。

器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点，在整个温度范围内具有较小的转换误差。

当然在我们的设计中，每个检测器只有一路温度测量，因此只用TLC2543的一路输入即可，在多通道的测量场合，该芯片同样适用！

具体的引脚关系等见本报告的后面的原理图。

这里值得注意的是，为提高本系统的测量精度，该芯片的参考电压的必

图三A/D转换原理图

须稳定，因此，不能将它接在普通的＋5V电源上，而是通过精密的基准电压源LM336－5.0V来实现，考虑该器件输出的结果必须小于电源电压，同时考虑多个检测器工作的一致性，因此，设计时将它接成在小范围内可调的方式，这里，我们将LM336－5.0的输出结果调整在4.900V。

具体的A/D转换原理图见上图三所示。

⑷信号调理电路的选择

调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中A/D转换器能识别的信号，作为本系统，由于温度传感器是热电阻PT100，因此调理电路完成的怎样将与温度有关的电阻信号变换成能被A/D转换器接受的电压信号。

恒流源电路的设计

由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；

还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。

上述两种电路的结构形式见下图四所示。

图四两种信号获取电路的结构

根据测试技术的有关知识，图a的输出与电阻的阻值不是个正比的关系，因而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非线性的问题；

而图B的由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采用恒流源电路来获取温度信号。

恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的，本系统是采用价格低廉的运放为核心来构成的，恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路见下图五所示。

图五由运放构成的恒流源电路

上图中，由于运放虚地的结果，造成OP07的反相输入端为0V，而图中1.5K电阻的下端由于运用精密的电压源LM336-2.5，外加调整电路，该点电压可调整为2.500V，而由于运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此从1.5K电阻上流过的电流大小固定而且一定等于OP07输出端流入温度传感器PT100的电流，从而达到恒流的效果，连接PT100两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的放大器。

这里值得注意的是恒流效果的好坏与下面几个因素有关，图示1.5K电阻的精度及温度稳定性要好，我们采用的是北京七一八厂的高精度高稳定的电阻；

还有是一定要选择输入阻抗高的运放，包括产生虚地处的运放（图中OP07）和后级的放大器（图中的AD620），否则较大的输入电流也将直接影响恒流的效果；

最后一点是参考电压（图中是－2.5V）的稳定性要高，参考电压的获得同上述A/D的参考电压基准一样，只不过这里采用是LM336-2.5V而已。

温度传感器的安装技术

温度传感器在现场的安装对于本检测器来说是至关重要的，如果安装方法不当，则直接造成设计的失败，例如，若采用将上图中的PT100温度传感器从图示位置拉出安装在现场，则由于不同的测量现场，线路长度的不一造成线路阻抗的不一，而且，该线路的阻抗与PT100的阻值都成了反映温度变化的变量，直接送入后级放大器，显然是错误的，这种接线方法称之谓两线制，其电气原理图见下图六左图所示，下面再来看右图的四线制，后级得到的电压值还是热电阻PT100两端的电压，由于后级运放的高阻抗，中间的2跟长线实际上是不产生压降的，而电路板的－2.500v电压如果还是很准，OP07的虚地概念继续存在，高质量的电阻依旧，则恒流值是不变的，故系统可完全不用考虑不同场合的温度测点到达本检测器的距离不一的问题，因此，四线制尽管多花消了线路成本，但达到了高精度的目标，这对于本高精度的温度测量系统来说是非常关键的。

图六两线制与四线制的电路区别

放大器的选择

放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据相关资料查阅，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图七所示，三运放中由A1、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3与R4、R5与R6，还包括A1与A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。

随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内部核心结构还是三运放，但是，采用微电子来解决刚才的参数匹配问题

图七三运放结构的高性能放大器原理图

已不是什么复杂的问题。

随着近年来微电子技术的发展，市面上出现了不少专用的高性能的芯片，AD620、AD623就是具有上述描述的三运放结构，在本设计中我们根据手中的元器件材料最终选择了AD620作为放大器电路的首级放大。

AD620是低价格、低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置1～1000倍的放大增益，它具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度，特别适合于精确的数据采集系统，如称重和传感器接口，也非常适合医疗仪器的应用系统（如ECG检测和血压监视）、多路转换器及干电池供电的前置放大器使用。

AD620的内部结构是由OP-07S组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放IC电路设计，图八是其引脚封装形式，基本接法是在1脚与8脚之间外接一RG电阻，增益由式G=1+49.4KΩ/RG确定，由于它的外围电路十分简单，它在在本系统中的应用祥见下图八所示。

由于我们的温度测量范围是0～400℃，而此时的温度传感器的电阻值根据分度表为100欧姆～249.38欧姆，由于我们设计的恒流源为5/3毫安，因此AD620的输入端为166.7毫伏，假设考虑我们的TLC2543的最大输入为5.000V，我们设计的放大器的增益在尽量保证分辨率的条件下，则为12倍，假设我们只用一个AD620，则AD620的输出为2V～5V（TLC只能转换5V），这样12位的A/D转换器的分辨率则大于题目的要求0.1℃，因此，我们必须将100欧姆以下的值通过偏置的方法将其减掉，然后通过增加放大倍数来尽量提高分辨率，这里我们设计的偏置电路同样见下图八所示。

这里设计的首级放大器的倍数是10倍，而后级放大则为2倍，合计的放大倍数为20倍，这样就完全满足设计分辨率的要求。

图八放大电路

⑸存储器和看门狗电路的选择

为了使停电时具有对温度报警值数据的保护，需要选用具有非易失性（掉电保护数据）的存储器，而且对于一个典型的单片机应用系统，看门狗电路的设计也是必须的。

具有掉电保护数据功能的芯片有很多，有并行的E2PROM，有串行的E2PROM，考虑设计结构的简单，本系统考虑采用串行方式的E2PROM，常用的有AT24CXX系列、AT93XX系列、AT59XX系列以及X5045等。

本设计中选用了X5045，除考虑其有掉电保护数据的功能外，还考虑到其有看门狗功能。

选择串行的还有一个原因是使我们的设计结构在硬件结构上最简单化。

X5045把四种常用的功能：

上电复位、看门狗定时器、电压监控和具有块锁定的串行E2PROM组合在单个封装之内。

这种组合降低了系统成本并减少了对电路板的要求。

X5045的内部有512个字节的E2PROM，完全足够使我们存放温度的报警值，同时X5045具有最大到1.4S的看门狗溢出时间，这里，我们在软件上的喂狗时间约为1S。

具体的X5045的应用图见后。

⑹时钟电路的选择

根据题目发挥部分的要求，需要在系统上加上时钟，为了保证检测器的独立性，我们在每个检测器上都设计了时钟，而且主控器上也设计了系统时钟，既然是时钟，为防止系统掉电以后时间的不正确，因此，设计了后备电池系统，在正常时给充电电池充电，在电源异常时，电池至少维持时钟的工作，以保证时间的连续性。

考虑系统结构的简洁和低功耗（电池供电时）要求，我们选择了在低功耗技术上比较突出的PHILIPS公司推出的低功耗实时时钟芯片PCF8563，它是一款工业级内含I2C总线功能的具有极低功耗的多功能时钟芯片，只需2条线即可与单片机通信，而且体积小，价格合适，同时考虑到子程序的通用性以及平常的使用经验，我们选择了PCF8563作为时钟电路的核心器件。

PCF8563的特性有：

宽电压范围1.0～5.5V，复位电压标准值Vlow=0.9V；

超低功耗典型值为0.25A（VDD=3.0V,Tamb=25℃）；

可编程时钟输出频率为32.768KHz、1024Hz、32Hz、1Hz；

四种报警功能和定时器功能；

开漏中断输出；

400kHzI2C总线（VDD=1.8～5.5V）；

日误差小于0.5秒。

具体的时钟应用图见下图九所示：

图九时钟应用图

⑺通信接口的设计

在一般的智能仪表中，我们大都采用串行通信方式，其中常用的串行通信方式有RS232和RS485，考虑本设计通信距离大于100米的要求，在本系统中选用RS485。

MAX485是由MAXIM公司生产的一种低功率RS485接收发送器，它将TTL电平与RS485标准电平相互转换。

由于本系统的通信采用RS485标准，因而，在硬件电路中采用MAX485芯片。

MAX485芯片的驱动能力是能驱动32个接收器件，因此完全能达到设计的2个或发挥的4个检测器，在我们的设计中，硬件我们设计了4个，在上位PC机中，我们的窗口则开了8个，也完全达到系统要求的网络容量要求。

具体的485应用图见下图十所示。

图十通信接口图

⑻键盘/显示接口电路的设计

显示器作为常用的现场人机接口，尤其是作为本系统的温度监测仪器，是必需的。

常用的显示器件主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），它们都具有耗电少，成本低，线路简单，寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合。

在设计中选用LED数码管显示器。

我们所用的显示器主要用在显示时钟值和显示温度值。

而键盘是我们在现场修改温度补偿、时钟调整等功能的输入设备，对于本系统来说也是必须的，我们主控器上都计了键盘和显示器，而在检测器上仅设计了显示器。

在这里，考虑成本、熟悉程度、器件等众多因素，我们选择了最常用的74HC164作为显示器的驱动器件，而用74HC165作为键盘输入寄存器，具体的电气原理图见后面专门附的键盘/显示原理图，这里，由于通信功能的使用，因此，我们用一般的静态端口来作为键盘/显示器的串行输入输出线。

⑼其它电路的设计

在本设计中，还涉及到系统用的电源电路，检测器的地址选择电路，声光报警电路等，由于比较简单，这里不再赘述。

二、系统工作原理

我们设计的系统电气原理图共有温度检测单元电气原理图，温度主控器单元电气原理图以及相对独立的键盘显示原理图，具体的电气图见后附资料。

这里我们对主控器和检测器的工作原理说明如下：

由于主控器与我们增加的PC机在某些功能上是互补的，因此，在正常情况下，主控器不断地以通信的方式向它所辖的检测器索要最新的温度数据，并及时在显示器上循环显示各检测器的最新温度值，另一显示器一直在实时显示当前时钟值（小时＋分钟并提供秒闪），当发现收到的温度数据大于预先设定的温度报警值时，发出声光报警。

同时，各检测器上的温度报警值、时钟值、温度修正值也可通过主控器键盘的输入与显示并以通信的方式发送至检测器，检测器在收到后立即按照主控器的命令作出修改自己参数的调整。

在主控器电源异常时，后备的充电电池只提供时钟工作的后备电源。

检测器在上电时通过读检测器地址拨盘来确认自己的地址身份，进入正常情况后利用自己的时钟电路显示当前的实时时钟，并不断地对温度量进行测量、显示并保存，供上位PC机或主控器的询要，当检测到温度数据大于预先设定或通过上位PC及主控器传来的报警值后，发出声光报警。

同样在检测器电源异常时，后备的充电电池只提供时钟工作的后备电源。

与主控器的功能相对应，在收到主控器要求本检测器修改的温度报警值、时钟值、温度修正值时，检测器立即按照主控器的命令作出修改自己参数的调整并通过X5045进行存贮。

由于时间关系，我们还设计了2台检测器模拟单元，它只是用电位器来替代温度传感器的温度变化，且只保留了通信和本机地址识别电路，原理图见最后附图

三、实验方法及实验结果

要使本系统达到一定的测量精度，我们在调试的过程中做了如下的工作，采用的主要仪器有：

电阻箱型号：

ZX21型直流多值电阻器分辨率0.1Ω；

万用表：

FLUKE111型，3位半显示；

示波器：

DF4320型，双通道，20MHz

1.恒流源的调试

在本设计中，根据我们选择的方案，恒流源的设计十分关键，它直接影响温度信号的采样。

我们测试的方法和实验结果如下：

A.选择不同的阻值，根据欧姆定理来反算恒流的效果。

实验结果如下：

实验条件线长L＝50厘米电阻：

欧姆电压：

毫伏

电阻

100

110

120

130

140

150

160

170

放大器输入电压

167

183

201

217

233

250

267

283

电流值mA

1.67

1.664

1.668

1.666

1.665

180

190

200

210

220

230

240

300

316

333

350

367

383

400

417

1.667

B.选择长短不一致的接线方式，来衡量恒流效果。

实验条件线长L＝350厘米电阻：

251

283.3

317

349

366.6

384

399.6

416

1.662