一种智能温度传感器硬件电路分析和改进.docx

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一种智能温度传感器硬件电路分析和改进

一种智能温度传感器硬件电路分析和改进

內容摘要←太简了

本文介绍了以Pt100为敏感元件智能温度传感器的一种成熟处理电路,文中对该电路进行详尽的分析、列出电路的优缺点,并在此基础上提出修改意见。

关键词:

温度传感器PT100惠斯通电桥

以上的內容摘要和关键词应独占一页

红色字或刪或改

前言

由于被测对象为非电量,利用传感器将测到的非电量转换为电信号,大多数传感器产生的信号都很微弱,通常只有uV或mV两级,必须用高输入阻抗的运算放大器对他们进行放大,使其达到一定的幅度（通常为几伏。

还要进行滤波,选取信号中一定频率范围的成分,去掉各种干扰和噪声。

若信号的大小与A/D转换的输入范围不一致,必须进行电平转换。

转换后的数字信号送入单片机,而后进行数据运算和处理,将结果通过总线发送给控制器或显示器。

1智能温度传感器的结构框图

2智能温度传感器器件选择

随着以微电子技术为基础的计算机技术、网络技术、通信接口技术和检测技术、人工智能技术的发展,IC芯片正在向着单片化、微型化、综合化、高性能价格比的方向发展,这使得原来功能单一,结构复杂,连线困难,功耗高的单片IC芯片逐渐被多功能、结构精巧、通用联线而且低功耗的集成式IC器件所替代。

特别是在片内集成了程序数据存储器、ADC转换和I/O接口功能的单片机的出现,已经在智能化仪表中获得广泛应用,也为智能传感器的设计和实现提供了坚实的物质基础。

为了设计出结构紧凑、可靠度高、低功耗的智能温度传感器,并结合传感器应用的实际对象和场合,我们在设计选择器件时充分考虑了这一趋势的同时,还要考虑实验室项目的一致性,尽量减少开发平台重复建设。

2.1智能温度传感器微控制器选择

微控制器（MCU是智能传感器的核心器件,它对智能传感器的性能指标影响很大。

目前市场上MCU的型号和种类很多,其中比较流行的有Intel公司的MCS51系列、Motorola公司的68H系列、Microchip公司的PIC系列、Atmel公司的AVR系列以及以ARM体系结构的单片机等[2]。

MCS51系列单片机应用敏感元件模拟信号处理A/D转换数字信号处理通信总线

被测

信号图1智能温度传感器结构框图

广泛,价格低廉,发展较成熟,但它的实时性相对较差;Motorola的68H系列单片机在家电、耐用消费品等人民生活领域占据了广阔的市场,在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。

Microchip公司的PIC系列单片机采用RISC结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。

适用于用量大,档次低,价格敏感的产品。

ATMEL公司的AVR单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。

AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。

AVR单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化。

AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。

由此可见,各个公司单片机都有各有千秋,他们生产的芯片还有千变万化的内部功能配置组合,如何选对一款合适的MCU也是系统开发前期需要考虑的重要问题。

以下几点就是芯片选型的依据:

1.成本

成本是一个关键性因素。

当注重MCU的性能的同时,还要考虑系统的整体成本和开发系统时所用到的在线仿真器、编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等的成本。

不能只看到MCU的成本,有时一个快速而廉价的MCU可能会成为系统成本居高不下的问题根源,因为系统往往还需要加上各种外设,要使各种外设协同工作需要扩展总线和增加延时逻辑。

作为系统的设计者,应该尽量制定一个合理的预算,同时又能满足系统的各项要求。

2.片内要有充足的RAM和ROM

MCU内部有充足的存储器既可以节省传感器的成本,又可以减少传感器的体积。

由于CANopen协议栈由多个子协议和服务组成,而且系统采用查表方式实现传感器的显性化,因此需要大量的RAM和ROM。

3.功耗低

基于现场总线的智能传感器大多工作在距离控制室很远的地方,再加上国家提倡节约能源,因此功耗问题是值得关注的。

有时功耗太大会影响传感器的本质安全。

4.内置CAN总线接口

CAN-BUS为本系统主要输出通道,所以选用的MCU芯片必须具备CAN总线接口。

根据以上要求我们选用Atmel公司的AVR系列处理器AT90CAN32作为智能

传感器的核心。

AT90CAN32为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。

AVR单片机以字作为指令长度单位,将内容丰富的操作数与操作码安排在一个字中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此,AT90CAN32共有133条精简的指令,其中大部分为单周期指令,此外它还有一个两个指令周期的硬件乘法器。

AVR单片机采用哈佛（Harvard结构的流水线技术,在执行一条指令的同时,下一条指令也被取出来。

由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,AT90CAN32的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾[5]。

AT90CAN32单片机是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的AVR单片机家族中的高性能单片机,具有比其他型号单片机更高的性能。

它在AVR内核的基础上增加了更多的功能,并完善了接口性能,在省电、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面也考虑得更加周全和完善,具体特点如下:

32K字节的系统内可擦写10000次的Flash程序存储器、4K字节可擦写100000次的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、一个含15个邮箱的CAN控制器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口（此接口同时还可以用于片上调试,以及六种可以通过软件选择的省电模式。

图2AT90CAN32内部结构框图

几个图都无法看清,不如刪去!

别在文章中凑数,浪费空间!

这些图你自己看得清吗?

看明白了吗?

这就下载交上來不是糊弄人吗?

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太省心省力了吧!

AT90CAN32有多种片内ISPFlash可以通过SPI接口、通用编程器,或引导程序多次编程。

引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。

在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行,实现RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,AT90CAN32为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案,AT90CAN32内部结构框图如图2所示。

以下重点介绍智能温度传感器应用到AT90CAN32的几个部分。

AT90CAN32存储器结构介绍:

AVR结构具有两个主存储器空间:

数据存储器和程序存储器,如图3和图4所示。

此外,AT90CAN32还有EEPROM存储器以保存重要数据。

这三个存储器空间是独立编址和线性的。

AT90CAN32具有128K字节的在线编程Flash。

因为所有的AVR指令为16位或32位,故FLASH组织成64Kx16的形式。

考虑到软件安全性,Flash程序存储器分为两个区:

引导程序区和应用程序区。

Flash存储器至少可以擦写10,000次。

AT90CAN32模数转换通道介绍:

ATmega128内部集成一个10位的逐次逼近型ADC。

ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接,能对来自端口F的8路单端输入电压进行采样。

器件还支持16路差分电压输入组合。

两路差分输入（ADC1、ADC0与ADC3、ADC2有可编程增益级,在A/D转换前给差分输入电压提供0dB（1x、20dB（10x或46dB（200x的放大级。

七路差分模拟输入通道共享一个通用负端（ADC1,而其他任何ADC输入可做为正输入端。

如果使用1x或10x增益,可得到8位分辨率。

如果使用200x增益,可得到7位分辨率。

图4程序存储器映像

图3数据存储器映像

ADC包括一个采样保持电路,以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

ADC的框图如5所示。

图5ADC结构框图

AT90CAN32CAN控制器介绍:

AT90CAN32的CAN控制器完全兼容CAN2.0A和CAN2.0B规范,共计15个独立的具有优先级的邮箱,支持时间触发通信协议,可以为每一个CAN报文印“时戳”,支持自动回复功能[14]。

AT90CAN32的CAN控制器结构框图如图6

图6AT90CAN128CAN控制器结构框图

所示。

2.2智能温度传感器敏感元件及信号调理电路运算放大器选择

在常用的温度传感器有热电阻式、热敏电阻式及热电偶式。

热电偶用在检测高温的场合如排烟温度等;而热电阻和热敏电阻用于测量温度较低的场合,如检测气缸冷却水温度、滑油温度、主轴温度等。

但热敏电阻的测量精度不高、非线性差,主要用作温度开关。

热电阻具有良好的线性度,尤其是铂电阻,它不仅拥有良好的线性度和复现度,而且具有很高的温度系数,其大约为3000~7000ppm/℃。

考虑到系统的成本和功耗问题,我们选用Pt100作为敏感元件。

如上述论述可知,铂电阻将以电阻的变化来反映温度的变化,而电阻不易变换,必须用适当的电路来实现电阻到电压的转化。

一般采用惠斯登电桥法,惠斯登电桥法得到是很微弱的电压（毫伏级的电压,该电压必须经过适当的放大才能被使用。

这就要求放大器增益高,性能稳定,尤其是零点漂移、温度漂移、增益、稳定性等指标要求较高,也就是要能对信号实现精密放大处理,满足计量要求。

这时,设计师们往往首选就是采用专用精密集成运算放大器,然而精密集成运算放大器价格较高,芯片供电多采用双电源对称供电,对供电电路要求较高,应用上不太方便。

而LM358系列集成运放是4组独立的高增益的、内部频率补偿、输入偏置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的运算放大器,它既可以单电源使用,也可以双电源使用,电源电压可以从+5V到±15V,而且驱动功耗低,每一组运放差模增益可达到100dB。

通过外围电路的合理设计,以LM358为主要器件的放大电路完全能满足高放大倍数、高稳定性的仪器仪表信号的放大处理要求。

2.3智能温度传感器CAN总线通信器件选择

由前文可知AT90CAN32在片内集成了CAN总线控制器,故只需要外加两只CAN总线收发器就可构成CAN总线通信模块。

市场上有许多种CAN总线收发器,如Philips公司生产的AU5790、PCA82C251和TJA1040,德州仪器公司生产的

SN65HVD230等。

AU5790价格低廉,但最高传输速度为83kbps;PCA82C251是性价比最为合理的一款CAN总线收发器,其价格较低且最高传输速度为1Mbps;TJA1040的性能较PCA82C251并没有多大的提高,只是它可由3.3V供电,且其的电磁辐射较低;SN65HVD230具有良好抗干扰能力和高可靠性,由3.3V供电,最高速率可达1Mbps,但它主要是与带有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用,且其价格较高。

综合上述分析,本系统的CAN总线收发器采用Philips公司的PCA82C251。

PCA82C251是较为常用的一款