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)中常見的和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程中常需對(duì)溫度進(jìn)行檢測和監(jiān)控。采用微型機(jī)進(jìn)行溫度檢測、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)的熱電勢產(chǎn)生，使用熱電偶測量溫度時(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)用于野外測量，幾十歐的引線電阻對(duì)測量影響較小，可忽略不計(jì)，非常適合測量微弱溫度變化。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，電路連接簡單，控制語句只有七條，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)超過了1億次，使用壽命長，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)簡圖如圖3所示。

圖3 溫度采集系統(tǒng)簡圖

3.4 測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αT是隨溫度的降低迅速增大，因此適用于本系統(tǒng)中測量相對(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。