多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)方案

1、 . PAGE10 / NUMPAGES10多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 報(bào) 告一:統(tǒng)整體設(shè)計(jì)多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)以8051單片機(jī)系統(tǒng)為核心，能對(duì)多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制巡檢。各檢測(cè)單元（從機(jī)）能獨(dú)立完成各自功能，根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)采集，測(cè)量結(jié)果不僅能在本地儲(chǔ)存、顯示，而且可以利用單片機(jī)串行口，通過RS-485總線與通信協(xié)議將將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析、存檔、處理和研究。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令發(fā)送，控制各個(gè)從機(jī)進(jìn)行溫度采集，收集測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果（包括歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行整理、顯示和打印。主控機(jī)與各從機(jī)之間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到了系統(tǒng)整體統(tǒng)一、和諧的控制效果。系統(tǒng)框圖

2、如下：本系統(tǒng)的特點(diǎn)是：具有實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，能夠同時(shí)檢測(cè)4路溫度，檢測(cè)溫度圍0400；使用12位AD轉(zhuǎn)換，采用過采樣和工頻周期求均值技術(shù)，分辨率達(dá)到16位，檢測(cè)溫度變化最小值達(dá)到0.007；使用RS-485串行總線進(jìn)行傳輸，MAX485驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，傳送距離大于1200m，抗干擾能力強(qiáng)；可由主控機(jī)統(tǒng)一設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間和溫度修正值；可由主控機(jī)分別設(shè)置各從機(jī)的溫度報(bào)警上下限，主機(jī)、從機(jī)均具有聲光報(bào)警功能；具有定時(shí)、整點(diǎn)收集各從機(jī)數(shù)據(jù)功能，使用I2C串行E2PROM，可保存各從機(jī)以往24小時(shí)的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)更新與掉電保護(hù)功能；具有數(shù)據(jù)分析功能，能顯示各從機(jī)以往24小時(shí)的溫度變化曲線與平均值；從機(jī)可顯

3、示當(dāng)前溫度、時(shí)間、報(bào)警閾值等信息；從機(jī)之間可通過主機(jī)中轉(zhuǎn)進(jìn)行通信，根據(jù)用戶需要觀察其他從機(jī)實(shí)時(shí)溫度值；主從機(jī)均采用中文點(diǎn)陣式液晶顯示器，人機(jī)界面友好；具有打印功能；自制了主控機(jī)和從機(jī)所使用的直流穩(wěn)壓電源。二、各模塊方案論證與設(shè)計(jì)21檢測(cè)單元（從機(jī)）檢測(cè)單元（從機(jī)）主要負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，并根據(jù)主控機(jī)傳送過來的命令進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置（包括溫度修正值設(shè)定、報(bào)警閾值設(shè)定和系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定）。框圖如下：從機(jī)需要重點(diǎn)解決的問題有兩個(gè)，一是選擇好傳感器，盡量減小誤差，二是提高檢測(cè)分辨率和測(cè)量精度。211 溫度信號(hào)的獲取與放大題目要求檢測(cè)溫度圍0400，可選用的常用溫度傳感器有集成溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等。集

4、成溫度傳感器（如AD590、DS1820等）使用方便，信號(hào)易于調(diào)理，但它們的測(cè)溫圍普遍窄，一般在200以下，不能滿足題目要求。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、測(cè)量圍廣，常用的熱電偶從-50至+1600均可連續(xù)測(cè)量。但需采用電路或軟件設(shè)計(jì)等修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t00時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響，使用不便。熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量圍為-200600，完全達(dá)到題目要求，考慮到鉑電阻的測(cè)量精確度是最高的，所以我們最終選擇鉑電阻PT100作為傳感器。熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。所以

5、通常將其放在電橋橋臂上，溫度變化時(shí)，熱電阻兩端的電壓信號(hào)被送到儀器放大器AD620的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。電路原理圖如圖3所示。對(duì)信號(hào)放大，我們使用了低價(jià)格、高精度的儀器放大器AD620，它運(yùn)用方便，可以通過外接電阻方便的進(jìn)行各種增益（1-1000）的調(diào)整。其增益計(jì)算公式為：溫度值計(jì)算過程：由于A/D檢測(cè)到的模擬電壓值,計(jì)算可到的RT值，然后利用如下公式求出溫度值：其中，實(shí)際測(cè)量中，為提高測(cè)量精度，我們分兩擋進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)溫度處于0210時(shí)，繼電器J2所在橋臂電阻為，繼電器J1選擇AD620的反饋電阻R5，溫度處于195400時(shí)

6、，控制繼電器J2將電阻R31串接上，并相應(yīng)控制繼電器J1選擇R6做為AD620的反饋電阻，在切換橋臂電阻時(shí)同步改變放大倍數(shù)，從而達(dá)到自動(dòng)改變量程、提高測(cè)量精度的目的。212 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A/D轉(zhuǎn)換的好與壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精確度，題目要求分辨率達(dá)到0.1，由于本系統(tǒng)測(cè)量的是溫度信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，滯后大，不要求快速轉(zhuǎn)換，因此選用12位串行ADMAX187。MAX187是美國(guó)MAXIM公司設(shè)計(jì)的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，其部集成了大帶寬跟蹤/保持電路和串行接口，轉(zhuǎn)換速率高且功耗低，特別適合對(duì)體積、功耗和精度有較高要求的便攜式智能化儀器儀表產(chǎn)品。MAX187具有12位的分辨力，其基準(zhǔn)電壓為4.096

7、V，故最小分辨電壓為，能分辨的最小溫度變化為，能達(dá)到題目的基本要求。為進(jìn)一步提高精度，可以直接采用16位AD轉(zhuǎn)換器，也可以采用過采樣和求均值技術(shù)來提高測(cè)量分辨率。本系統(tǒng)采用了后一種方法。所謂過采樣技術(shù)是指以高于奈奎斯特頻率的采樣頻率進(jìn)行采樣，也就是說當(dāng)ADC以高于系統(tǒng)所需采樣頻率fs的速率對(duì)信號(hào)采樣時(shí)，能增加有效位數(shù)。每增加一位分辨率，信號(hào)必須被以4倍的速率過采樣，即其中w希望增加的分辨率位數(shù)；fs初始采樣頻率要求；fos過采樣頻率。假設(shè)每秒鐘輸出一個(gè)溫度值（1Hz）。為了將測(cè)量分辨率增加到16位，按下式計(jì)算過采樣頻率，即：因此，如果以fs=256Hz的采樣頻率對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，則將在所要求

8、的采樣周期采集到足夠的樣本，對(duì)這些樣本求均值便可得到16位的輸出數(shù)據(jù)。為此，先累加（將256個(gè)連續(xù)樣本加在一起），然后將總和除以16。這樣得到的結(jié)果便是16位的有效數(shù)據(jù)，增加了4位有效數(shù)據(jù)。用過采樣和求均值技術(shù)后，新的AD分辨率計(jì)算如下：最小分辨電壓=這樣，可以測(cè)量的最小溫度變化為，在采用過采樣和求均值技術(shù)的情況下，用同一個(gè)12位ADC可以測(cè)量的最小溫度變化為0.0061，就允許了以高于的精度對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。另外，為了減小工頻信號(hào)引起的誤差，我們?cè)O(shè)計(jì)了在40ms（20ms的兩倍）時(shí)間采樣，然后再取平均值，將工頻信號(hào)誤差濾除。213 信號(hào)處理和顯示單元信號(hào)處理與顯示單元采用8051單片機(jī)作為信息

9、處理單元，它是從機(jī)的核心器件，對(duì)傳感器采集來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度信號(hào)，送液晶進(jìn)行顯示。而且從機(jī)能夠通過通訊電路將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳，接收主機(jī)數(shù)據(jù)（包括系統(tǒng)時(shí)間信息、修正值和報(bào)警上下限）進(jìn)行自身信息設(shè)置。214 聲光報(bào)警部分溫度檢測(cè)系統(tǒng)多有聲光報(bào)警功能，當(dāng)檢測(cè)溫度超過上下限時(shí)，進(jìn)行聲光提示。本系統(tǒng)在從機(jī)和主機(jī)部分均設(shè)計(jì)了報(bào)警電路。各從機(jī)的報(bào)警上下限由主機(jī)預(yù)置，從機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測(cè)溫度值連續(xù)超出閾值圍，便啟動(dòng)自身報(bào)警電路，同時(shí)向主控機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。報(bào)警電路原理如下所示：22 通訊部分221電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)串行口輸出的是TTL電平，要想實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊，必須要將其轉(zhuǎn)換成常用的串

10、行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口電平，如RS-232或RS-485。其中RS-232適于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合，其邏輯電平與TTL、MOS邏輯電平完全不同，需要用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。其主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短（不超過30m），抗干擾能力差，不能滿足題目的要求。RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口為差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它通過傳輸線驅(qū)動(dòng)器把邏輯電平變換為電位差，完成信號(hào)的傳遞，具有傳輸速率快、傳送距離長(zhǎng)（可傳1200m）、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，允許一對(duì)雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備。所以本系統(tǒng)使用RS-485總線進(jìn)行傳輸，采用MAX485驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。原理圖如下：221通訊協(xié)議建立作為一種

11、具有分布式控制思想的溫度測(cè)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)首先要解決的是主機(jī)與從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊問題，除了建立硬件電路基礎(chǔ)外，還要定義系統(tǒng)的軟件通訊協(xié)議。協(xié)議規(guī)定如下：主、從雙方波特率均設(shè)置為9600bpt；主從雙方初始狀態(tài)均設(shè)置為串行口中斷方式；主機(jī)發(fā)送的格式為：起始符從機(jī)地址命令字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)/命令字校驗(yàn)地址校驗(yàn)當(dāng)從機(jī)接受到主機(jī)發(fā)送的命令時(shí)，從機(jī)先檢驗(yàn)是否為自己的地址，如果是則回復(fù)主機(jī)且執(zhí)行相應(yīng)命令，否則不做響應(yīng)。從機(jī)應(yīng)答的格式為：起始符本機(jī)地址命令字 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/命令字校驗(yàn)地址校驗(yàn)主機(jī)接受到從機(jī)應(yīng)答后，知道從機(jī)完成響應(yīng)。則去干其它事情；否則繼續(xù)發(fā)送。發(fā)送3次不響應(yīng)則視為線路故障；從機(jī)發(fā)送與從機(jī)應(yīng)答基本一樣，主機(jī)

12、發(fā)送與主機(jī)應(yīng)答基本一樣。從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。系統(tǒng)進(jìn)行溫度檢測(cè)工作的過程是這樣的：首先，主控機(jī)針對(duì)需要檢測(cè)的從機(jī)發(fā)出巡檢指令，通過串口送出，經(jīng)接口電路加載至通訊長(zhǎng)線電纜端口，成功確認(rèn)應(yīng)答信號(hào)后轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；各從單片機(jī)同時(shí)接收到經(jīng)通訊接口輸入的巡檢指令，并與自身地址編碼比較，若編碼一致則產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)，發(fā)送完畢在切換至采集信號(hào)并等待響應(yīng)接收中斷狀態(tài)；主機(jī)將接收到的全部數(shù)據(jù)經(jīng)校驗(yàn)判斷無誤后，送數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)計(jì)算、顯示，如數(shù)據(jù)傳輸有誤，則指令從機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)。23 主控機(jī)部分主控機(jī)主要負(fù)責(zé)控制從機(jī)，包括設(shè)置從機(jī)信息和收集從機(jī)檢測(cè)信號(hào)，然后將收集到的數(shù)據(jù)

13、進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示、打印，并能根據(jù)用戶設(shè)置的報(bào)警閾值進(jìn)行聲光報(bào)警。這部分的硬件電路設(shè)計(jì)除了鍵盤、液晶、打印機(jī)等常規(guī)外設(shè)外，增加了一片24C04用來保存溫度數(shù)據(jù)，另外，增加了一片日歷時(shí)鐘芯片PCF8563。24C04是基于I2C總線的串行E2PROM，存儲(chǔ)容量512個(gè)字節(jié)，它占用單片機(jī)資源很少，僅占用了兩根I/O線，數(shù)據(jù)一旦寫入可保存100年，避免了普通RAM掉電保護(hù)的麻煩，非常適合于各類儀器儀表和控制裝置的參數(shù)保存。主控機(jī)每個(gè)整點(diǎn)收集一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到E2PROM。每個(gè)溫度數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)，這樣，我們?cè)O(shè)計(jì)共保存24組歷史數(shù)據(jù)，占用個(gè)字節(jié)。當(dāng)存滿24組數(shù)據(jù)后，整點(diǎn)再次接收數(shù)據(jù)時(shí)，將最早保

14、存的數(shù)據(jù)刪除，其他數(shù)據(jù)依次前移為新數(shù)據(jù)空出位置。PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線串行傳遞。這兩部分電路設(shè)計(jì)原理圖如下：24 電源部分題目要求設(shè)計(jì)獨(dú)立的直流穩(wěn)壓電源，我們根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了電源，能提供+12V、-12V、+5V三種電源。電路原理圖如下所示：三、軟件流程圖四、測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)照PT100分度表，我們使用電阻箱模擬溫度信號(hào)，測(cè)得如下數(shù)據(jù)，估計(jì)誤差為計(jì)算誤差。理論值（）實(shí)測(cè)值（）誤差（）理論值（）實(shí)測(cè)值（）誤差（）0.00 0.50 0.50 220.00 220.50 0.50 10.0

15、0 10.42 0.42 230.00 230.40 0.40 20.00 20.37 0.37 240.00 240.20 0.20 30.00 30.28 0.28 250.00 250.20 0.20 40.00 40.25 0.25 260.00 260.10 0.10 50.00 50.22 0.22 270.00 270.10 0.10 60.00 60.43 0.43 280.00 280.00 0.00 70.00 70.31 0.31 290.00 290.00 0.00 80.00 80.22 0.22 300.00 300.00 0.00 90.00 90.18 0.18

16、 310.00 309.90 -0.10 100.00 100.10 0.10 320.00 319.80 -0.20 110.00 110.10 0.10 330.00 329.80 -0.20 120.00 120.10 0.10 340.00 339.70 -0.30 130.00 129.90 -0.10 350.00 349.70 -0.30 140.00 139.80 -0.20 360.00 359.60 -0.40 150.00 149.80 -0.20 370.00 369.60 -0.40 160.00 159.70 -0.30 380.00 379.50 -0.50 17

17、0.00 169.70 -0.30 390.00 389.40 -0.60 180.00 179.60 -0.40 400.00 399.30 -0.70 190.00 189.50 -0.50 410.00 412.10 -0.90 200.00 199.50 -0.50 420.00 419.30 -0.70 210.00 210.60 -0.40 430.00 429.20 -0.80 1. 若不給自己設(shè)限，則HYPERLINK s:/ duanwenxue /jingdian/ganwu/人生中就沒有限制你發(fā)揮的藩籬。2. 若不是心寬似海，哪有人生風(fēng)平浪靜。在紛雜的塵世里，為自己留下一片純靜的心靈