基于智能传感器的分布式现代测温系统

现代测试技术大作业题目：基于智能传感器的分布式现代测温系统姓名：俞晓星学院：机电工程学院专业：测控技术与仪器班级：学号：指导教师：顾小军教务处制2011年12月20 日目录摘要 (3)引言 (3)一、背景及研究意义 (4)1.1温度传感器的发展状况 (4)1.2智能传感器的实现途径 (5)1.2.1 软件化 (5)1.2.2集成化 (5)1.2.3 采用新的检测原理和结构实现信息处理的智能化 (5)1.2.4 网络化 (6)1.2.5 多传感器信息融合技术 (6)1.3智能温度传感器的应用背景介绍 (6)1.4选题背景和研究意义 (7)二、方案设计与论证 (8)2.1系统工作原理 (8)2.11分布式温度采集系统 (8)2.12无线发送/接收系统 (9)2.13 上位机系统 (9)2.2 系统软件设计 (10)2.3 测试结果及结论 (11)2.4 结论 (12)参考文献 (12)基于智能传感器的分布式现代测温系统基于智能传感器的分布式现代测温系统嘉兴学院俞晓星摘要分布式测量与控制系统正在从基于现场总线技术的软硬件平台,转向支持开放的、标准化的技术解决方案。

应用无线通信技术、Internet技术和标准智能传感器接口的测控系统可望形成下一代分布式测控系统的雏形。

本文对应用无线通信技术、Internet技术和IEEE1451系列标准的分布式测控系统的设计与实现进行了深入系统的研究,并初步建立了一个分布式测控原型系统并简要介绍了该系统的工作原理及设计思想即通过各个不同的传感器终端节点监测温度的高低。

在设计的监控系统中,基于LabWindows/CVI及VC环境开发了现代温度监测系统的演示软件,通过软件编程发送到上位机（PC机），并在PC机上用VB界面远程控制和显示测的温度值。

该系统结构简单，抗干扰能力强，稳定可靠，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，可应用于仓库测温、楼宇空调控和生产过程监控等领域。

较好的实现了传感器节点的系统集成及温度值的远程监控。

与此同时本文对智能化测温系统的设计理念、系统结构、系统组装调试过程中所需注意的问题进行了较为详细的阐述。

【关键词】：温度传感器现场总线分布式单片机前言自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

温度是环境监测的重要参数,在一些特定的场合常常需要对温度进行监测。

如高压蒸汽管道温度的监测,这些监测对企业的生产至关重要。

但很多温度监测环境范围大,测点距离远,布线很不方便。

为了能精确反应温度的空间分布情况,需要解决多点分布测量问题。

已有资料表明利用数字化测温器件获取温度,可以克服传统分布式测温系统的一些缺点,如传输距离、放大电路产生的误差等。

本文在此基础上采用智能温度传感器DSl8B20,设计一种应用于现代企业的分布式智能温度测量系统。

设计DSl8B20与单片机之间通过IIC总线通信并实现PC机与单片机之间的串行通信,提高分布式温度测量的准确性和系统的可靠性。

在本系统中传感器DS18B20 将采集到的温度值送给单片机进行处理,通过nRF2401 实现远程无线传输,在上位机的控制系统中,采用USB 口作为计算机与测控网络的接口。

如此一来既能准确的测量温度的空间分布情况,又能解决测量距离上的问题。

实际运行表明,该系统抗干扰能力强,信号传输距离远,较好的满足分布式温度监测的要求。

第一章背景及研究意义1.1温度传感器的发展状况传感器技术包括敏感机理，敏感材料，工艺设备和计测技术四个方面约有30多种技术。

随着物联网概念的日渐普及，传感器市场再次迎来快速发展机遇。

传感器主要包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器、无线传感器和生物传感器等。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。

从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。

真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。

五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

温度传感器是利用其核心部分热敏电阻的值随温度变化的特性，将非电学的物理量转换为电学量，从而进行温度精确测量与自动控制的半导体器件。

温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。

这种测温方法精度比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这基于智能传感器的分布式现代测温系统种方法将会产生很大的误差。

与传统产品相比，新型温度传感器呈现出微型化、高精度、低功耗等发展趋势。

在新的时代背景下，温度传感器的应用领域得到进一步拓宽。

NTC作为温度传感器的重要分支，医疗电子、移动通信、办公自动化、汽车电子等都是其新的应用领域。

进入21世纪后，温度传感器的发展趋势正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

所以数字温度传感器得以更加广泛的应用。

1.2智能传感器的实现途径智能传感器的“智能”主要体现在强大的信息处理功能上。

在技术上有以下一些途径来实现。

在先进的传感器中至少综合了其中两种趋势，往往同时体现了几种趋势。

1.2.1 软件化传感器与微处理器相结合的智能传感器，利用计算机软件编程的优势，实现对测量数据的信息处理功能主要包括以下两方面：运用软件计算实现非线性校正、自补偿、自校准等，提高传感器的精度、重复性等。

用软件实现信号滤波,如快速傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换等技术,简化硬件、提高信噪比、改善传感器动态特性。

运用人工智能、神经网络、模糊理论等，使传感器具有更高智能即分析、判断、自学习的功能。

1.2.2集成化集成智能传感器是利用集成电路工艺和微机械技术将传感器敏感元件与功能强大的电子线路集成在一个芯片上（或二次集成在同一外壳内），通常具有信号提取、信号处理、逻辑判断、双向通讯等功能。

和经典的传感器相比，集成化使得智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。

1.2.3 采用新的检测原理和结构实现信息处理的智能化采用新的检测原理，通过微机械精细加工工艺设计新型结构，使之能真实地反映被测对象的完整信息，这也是传感器智能化的重要技术途径之一。

例如多振动智能传感器，就是利用这种方式实现传感器智能化的。

工程中的振动通常是多种振动模式的综合效应，常用频谱分析方法分析解析振动。

由于传感器在不同频率下灵敏度不同，势必造成分析上的失真。

采用微机械加工技术，可在硅片上制作出极其精细的沟、槽、孔、膜、悬臂梁、共振腔等，构成性能优异的微型多振动传感器。

目前，已能在2mm×4mm的硅片上制成50条振动板、谐振频率为4～14kHz 的多振动智能传感器。

1.2.4 网络化独立的智能传感器，虽然能够做到快速准确地检测环境信息，但随着测量和控制范围的不断扩大，单节点、被动的信息获取方式已经不能满足人们对分布式测控的要求，智能传感器与通信网络技术相结合，形成网络化智能传感器。

网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展。

传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间无需点对点连接，大大简化了连接线路，节省投资，也方便了系统的维护和扩充。

1.2.5 多传感器信息融合技术单个传感器在某一采样时刻只能获取一组数据，由于数据量少，经过处理得到的信息只能用来描述环境的局部特征，且存在着交叉敏感度的问题。

多传感器系统通过多个传感器获得更多种类和数量的传感数据，经过处理得到多种信息能够对环境进行更加全面和准确的描述1.3智能温度传感器的应用背景介绍在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1°C。

国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625°C。

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线基于智能传感器的分布式现代测温系统标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI 总线。

温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

1.4选题背景和研究意义温度的测量和控制在储粮仓库、智能楼宇空调控制及其它的工农业生产和科学研究中应用广泛。

温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体 PN 结如AD590之类的模拟传感器经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示温度值的数字信号，再交由微处理器或DSP处理。

被测温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的高可靠性及体积微缩化。

这样，由于各种因素会造成传输检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。

分布式光纤测温系统的检测原理分布式光纤测温系统是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制,并对调制过的光波信号进行解调检测,从而获得待测量的一种方案。

系统的测量原理主要是依据光纤的时域反射理论和光纤的背向喇曼散射温度效应。

分布式光纤温度传感器属于传感型光纤传感器,它以光纤作为温度敏感元件和光信息的传输载体,不仅能给出沿光纤长度上某点被测对象的混度信息,而且还能给出该点的位置信息,从而获得被测对·象的整体泥度分布情况,以达到用一台分布式传感器取代多台分立的温度传感器的目地。

此外,由于光纤传输所具有的特性,如对几何形状适应性强,抗电磁干扰能力强,电绝缘性好,耐腐蚀,传输损耗小,灵敏度高等,所以它能进行远距离监控,能在易燃、易爆等各种危险环境下进行工作。

因此,分布式光纤温度传感器在工业与外界环境监控方面有广泛的用途,例如大型变压器、高压输电线、化学工厂、石油提炼厂以及第6期仪表技术与传感器矿井、油井的温度监控。