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一种多通道环境温度采集系统的设计

时间:02-21 来源:互联网 点击:

1、引言

温度是工业生产中常见的和最基本的参数之一,在生产过程中常需对温度进行检测和监控。采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制,对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。考虑到许多工业环境中对多点温度进行监控,一般需要测量几十个点以上,为此,我们研制了一种采用 AT89C52单片机进行控制的多通道温度检测系统。

2、硬件的总体设计

本系统由温度采集电路、单片机、按键、显示、数据存储等部分组成,成对温度信号的采集、处理、存储,控制系统的工作的功能。原理框图1所示。


图1 系统硬件原理框图

3、 温度采集电路的设计与分析

3.1 传感器的选择

在选择温度传感器时,应考虑的主要因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。目前,应用最广泛的温度传感器是热电偶、热电阻、热敏电阻和PN结型温度传感器。

热电偶由两种不同的金属构成,它们的一端熔接在一起形成一个敏感结,温度变化时将有一个相应的热电势产生,使用热电偶测量温度时容易引入误差(冷端误差)。热电阻传感器电阻值随温度增加而增加,最常见的构成材料是铂、镍或铜,其线性度好,但价格较高,阻值小,连入测量电路中须考虑引线电阻影响。PN结型温度传感器利用了在一定的电流模式下,PN 结的正向电压与温度之间有很好的线性关系这一特征,测温精度高。

热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成,包括正温度系数热敏电阻(PTC),负温度系数热敏电阻(NTC)和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器(CTR),在温度测量中主要采用 NTC 和 PTC,尤其 NTC 应用较多。热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化,且阻值较大,如应用于野外测量,几十欧的引线电阻对测量影响较小,可忽略不计,非常适合测量微弱温度变化。但是非线性严重,使用时必须进行线性化处理。由于本系统测量点多,考虑价格等多种因素,选用NTC型热敏电阻较为合适。

3.2 测温电路的组成

选用珠状热敏电阻,外面套铜壳,中间灌导热沙,用胶封口连线使用。温度电压转换电路由不平衡电桥实现,放大电路采用LF347四运放芯片,构成差分放大电路,将电桥输出电压转换为对地电压。采用八选一的模拟开关CD4051,三个地址选择引脚,两片组成8×8矩阵,可连接64路温度传感器。CD4051电子开关闭合时漏泄电流很低,导通时导通电阻也比较低,当输入参考电压±5V,导通电阻在160欧姆左右,输入电压正负都可以工作,效果比较理想。整体电路图如图2所示,其中最左侧两个端子用于连接热敏电阻,电桥中的电位器用于调平电桥,对地电压输出后至最右端可接A/D转换器。


图2 温度测量电路

3.3 A/D转换部分、显示器件和存储设备

A/D转换芯片选用美国德州仪器公司的12位串行A/D转换器TLC2543,具有11路模拟输入通道,在工作范围内10us的转换时间,三路内置自测试方式,最大线性误差±1LSB,单双极性输出,具备可编程的输出数据长度和MSB、LSB前导。性能价格比合适,转换精度较高,因此适用于各种仪器仪表之中。

由于需要显示汉字,例如“XX号空气温度XX.X”,字体采用16×16点阵形式,显示器件采用192×64点阵字符型液晶显示模块,电压较低,功耗比较小,电路连接简单,控制语句只有七条,便于单片机编程。

存储设备选用RAMTRON公司生产的铁电存储器FM3164,一种集成了存储器、实时时钟、看门狗定时器、低电压提前报警、手动复位去抖等许多单片机伺服电路,64KB的数据存储解决了许多问题。铁电存储器采用了先进的存储技术,使擦写次数超过了1亿次,使用寿命长,为存储实时采集数据提供了方便。温度信号包括数据2字节,通道号1字节,月、日、时、分数据4字节,每天1小时采集一次,1个月总共30×24小时,1个月共需要存储量(64×3+4)× 30×24/1024≈130KB,铁电存储器空间不够时,可再扩展一片AT29C040海量存储器512KB,可转存两个月的数据。系统简图如图3所示。


图3 温度采集系统简图

3.4 测温元件的温度特性分析与线性化处理

热敏电阻的阻值与温度的关系可用以下公式表示:

可见αT是随温度的降低迅速增大,因此适用于本系统中测量相对较低温度。

热敏电阻的线性化方法有很多种,分为硬件线性化方法和软件线性化方法。硬件线性化方法采用串并联电阻的方法对热敏电阻进行线性化,软件线性化方法可采用查表法读取温度值。串并联电阻可在某一温度区间(如0℃~50℃)获得较好的线性化效果。

以串联电路为例,由图4可列出

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