多路温度检测系统的设计与研究

1 绪论温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。

在工业生产过程中，温度检测和控制都直接和安全生产、产品质最、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。

温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛应用。

随着科学技术的发展，这类仪表的发展也日新月异。

特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。

1.1 温度检测类仪表的现状传统的机械式温度检测仪表在工矿企业中己经有上百年的历史了。

一般均具有指示温度的功能，由于测温原理的不同，不同的仪表在报警、记录、控制变送、远传等方面的性能差别很大。

例如热电阻温度计，它的测温范围是-200℃～650℃，测量准确，可用于低温或温差测量，能够指示报警、远传、控制变送，但维护工作量大并且不能记录；光学温度计测温范围是300℃～3200℃，携带使用方便，价格便宜，但是它只能目测，也就是说必须熟练才能测准，而且不能报警、远传、控制变送。

近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪表己经取得了巨大的进展。

我国的单片机开发应用始于80 年代。

在这20 年中单片机应用向纵深发展，技术日趋成熟。

智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面。

都取得了巨大的进展。

目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表的。

从技术背景来说，硬件集成电路的不断发展和创新也是一个重要因素。

各种集成电路芯片都在朝超大规模、全CMOS 化的方向发展，从而使用户具有了更大选择范围。

这类仪器能够解决许多传统仪器不能或不易解决的问题，同时还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以及加快新产品的开发速度。

智能化控制仪表的整个工作过程都是在软件程序的控制下自动完成的。

装在仪表内部EPROM 中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定的功能，例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。

编制完善的监控程序的某些功能模块。

能够取代某些硬件电路的功能。

这就为设计者扩展或改变仪表具体功能提供了方便。

例如打印的内容、格式，报警值的上、下限，报警的方式（如发光、发声）等就完全可以通过改变具体的某一段程序来实现，同时又不会影响软件中其它程序的功能。

仪表在使用上更具有灵活性。

智能化控制仪表在引入单片机之后，己经降低了对某些硬件电路的要求，但是测试电路仍然占有很重要的位置。

尤其是直接获取被测信号的传感器部分仍应给予充分的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改进。

现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。

传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。

有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。

与国内己经出现的各种各样的智能化测量控制仪表相比，国际上更是品种繁多。

国内的开发规模也相对较小，开发费用相对较高，与国际相比还存在很大的差距。

1.2 课题的提出多路温度的测量、记录、传输在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检仪并不少见。

甚至其中有很多己经作为典型例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、报警和记录等功能。

但是这些温度巡检仪都有一个共同的主要缺点，那就是只能检测的路数不能任意增加。

这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如PT—100 、K 、J 等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换方能被单片机接受，如果要增加测试路数，那未必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。

并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响，因而误差大，远传受距离的限制等，多路共测时，检测效果也大打折扣。

随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线，中频热处理行业的水路温度保护，提升机、通讯机、发电厂等轴温记录，变电所各电节点的温度检测，农业大棚、鸡舍等，温度巡检仪有着越来越广阔的应用与发展前景。

但是上述场合通常需要监测的点远大于8个，则上述温度巡检仪远远不能满足其要求。

本课题则主要针对这一点而提出。

监测点的增加，就硬件电路和软件编程而言，并非意味着简单的增加几条电路连线和循环指令，而是与相关的软硬件技术有极为密切的联系。

随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术的发展越来越完善，使得设计能够满足对更多测试点的温度的测试、报警、记录等的温度巡检仪成为可能。

目前，温度传感器的发展日新月异，种类繁多，各有千秋，特别是数字式温度传感器开始越来越多的应用于温度检测仪表中。

所谓数字式温度传感器即集温度感应、变换、数码调制于一体，对外输出数字信号。

具有抗干扰性好、可靠性高、硬件电路简单、使用方便等优点。

尤其是对于数十个乃至上百个点的检测，采用数字式温度传感器便可以摒弃A/D转换和放大器，无疑对简化电路起到不可估量的作用。

在设计电路时，使用不同的温度传感器，对电路性能有极大的影响。

测控对象与计算机之间的信息交换是通过总线进行的，常见的有2I C总线、SPI 总线等被广泛应用着，它们技术成熟，有众多的芯片和功能完善的软件相支持。

近年美国DALLAS 半导体公司推出了一项新技术---单总线技术，即用一根信号线( 1-wire)在其上可以挂接许多测控对象，甚至电源也经这根信号线馈给，从而可以方便地组建一个测控系统。

该技术有较高的性能价格比，适用于温度测控场合，当测控对象很多时更可以显示其优越性，抗干扰性能好，具有CRC 校验功能，系统简明直观易于掌握。

特别是国内未见深入研究，软件编程相应复杂，因而使用单总线技术研制温度巡检仪则保证了其技术上的先进性，但是同时也具有一定的开发难度.本课题将综合运用先进的元器件和技术设计温度巡检仪，使其可以真正方便地实现对温度监控的自动化，为生产管理部门提供高精度的实时温度，使操作者可以在生产过程中及时了解关于温度的参考信息，保证生产能够在正常的环境温度下进行，对于保障安全生产、节约能源、提高效率、保障产品质量有重要的社会意义。

并且在上面提到的行业中，都需要多路同时检测，应用面广，需求量大，任何一个厂的一次使用量都在10 台仪器以上，因此32 路温度巡检仪一旦设计成功并投入生产必将带来良好的经济效益，前景非常广阔。

1.3 课题的内容针对目前温度检测仪表的发展趋势和存在的问题，本课题主要解决以下内容：a) 对32 处不同的测试点巡回检测其温度，进行集中管理，集中控制。

b) 在其测量范围内可以设定任意测试点温度的报警值。

c) 在温度异常时能够发出报警信号和采取保护措施，能对故障及时地跟踪和记录。

d) 可以方便地设置打印方式，包括定时自动打印和任意时刻打印。

e) 功耗低，整个系统体积小。

f) 现场安装配线简单，调试简捷方便。

g) 采用少量按键来设置现场参数，系统具有较强的对话性和可操作性；测试点的个数可在某一范围内任意删加。

h) 使系统具有较强的抗干扰性能。

i) 有较高的分辨率，极好的可维护性。

2 系统的总体设计在本章的设计中将进行系统的总体方案设计，以便在后续章节中选择合适的单片机及外围芯片，完成具体的硬件电路设计。

总体设计应考虑以下几点：a) 从整体到局部设计b) 经济性要求c) 可靠性要求d) 操作和维护的要求。

2.1 系统的总体设计思想不同的控制对象和不同的要求，应该有不同的设计思想。

本系统实际上是一个专用的单片机系统，仪表内部除单片机以外的其它硬件部分均可看作是单片机的外设部分。

在本系统中，CPU 在温度采集和处理时，主耍是对温度值进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警并对这些数据进行积累和实时分析。

CPU 不直接参与过程控制。

对生产过程不会直接产生影响。

从这一点出发，可作出总体设计思路图2.l:图2.1总体设计思路图温度经过采样、转换后以数字形式进入CPU ，利用CPU 具有运算、逻辑判断能力速度快等特点，在它内部可以对这些输入数据进行必要的集中、加工和处理，在温度参数的测量和记录中则代替大量的常规显示和记录仪表，对整个环境温度进行集中监视。

另外，添加存储器，预先存入各个测试点的温度极限值和其他的相关数据，以便在处理过程中可以进行越限报警、调整参数和维修调试等。

2.2方案论证与选择设计方案的不同将直接决定仪表硬件的繁简程度，从而确定软件的不同编写思32 路温度巡检仪应对当前的环境温度进行巡回检测，所以它是一个实时监测系在设计时应考虑以下几个方面：a) 应保证前向的温度传感电路的精确度、灵敏度、电路结构的合理性；b) 仪表本身要具备一定的抗干扰能力，应在硬件及软件上引入各种抗干扰措施，以增强它的稳定性和准确性；c) 仪表应预留接口以便于功能扩展和联网。

根据以上要求，硬件电路有以下几种方案可供选择。

2.2.1温度采样和测试部分第一种方案：各测试点的温度值经过测温元件热电偶、热电阻等，被转换为电信号，这样得到的多路采样信号经放大器、多路模拟开关及A/D转换电路，由单片机控制多通道A/D 转换，分时对电压信号进行循环采样和A/D 转换。

这种方案是单片机处理非电量信号的传统方法，它的优点是测温范围广：选用合适的测温元件可以检测-300℃～3000℃的温度。

但是一方面，单片机外电路复杂，因为32 路温度需要多个模拟开关，不管是通用的并行、串行总线，还是专用总线，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面，A/D 转换器要占用多个I/O 口向单片机输入多位的数字量，这无疑使得有限的I/O 口在设计时显得较为局促；软件工作量大，且功耗也较大，线路上传送的是模拟信号。

易受干扰和损耗，这种方案的性能价格比较低。

第二种方案：使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器AD590 、LM35等，将采集到的电流信号经多路A/D转换器送入单片机，由单片机控制数据的采集和转换。

以AD590 为例，它的测温范围为-55～+ 150℃。

工作电压为＋4～+ 30 V 。

由于AD590 是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制，远距信号传递时，可采用一般的双纹线来完成；其电阻比较大。

因此不盆要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。