温度采集系统

电子仪器设计
专业：测控技术与仪器
班级：03061405
*****
学号：04
花木温室的温度采集系统设计
1、方案思路: 系统采集可以采用多路采集也可以采用单通道数据采集。

多路采集需要的传感器或A/D转换器的个数较多从价格方面考虑比较昂贵。

本系统由温度采集系统（温度传感器、放大电路、和A/D转换电路）、8051单片机、显示存储单元和时序控制单元组成。

传感器不断的对温度进行转换电量操作，而A/D转换电路采取适时的采集转换（即有时钟控制它的选通）一个温度传感器接一个放大电路A/D转换电路，这样一方面简化了大量测量放大电路，节省了资金，缩小了成品电路的体积，提高产品的测量精度，且通过放大器与A/D的校准，可完成对整个测量控制板的校准，提高产品可调性，完成系统性能，缩短了产品研制财期。

系统框图如下图1所示。

图1 系统硬件的整体框图
2、温度采集电路的设计与分析
2.1传感器的选择：目前最常用的传感器有热电偶，热繁电阻，热电阻，半导体集成温度传感器，热辐射高温传感谢器，光导纤维温度传感谢器等。

热电偶常用于高温检测，测温时容易引入误差（冷端误差）需要温度补偿
热电阻传感器，电阻值随温度增加，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的影响。

热敏电阻由钴，锰等金属的氧化物以不同的配方高温烧结而成，包括正温度系数热敏电阻（CTR），负温度系数热敏电阻（NTC）和在其某一特定温度下是阻值会发生突变的临界温度电阻器（CRT），在温度测量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC应用较多。

热敏电阻随温度变化而迅速变化，即灵敏度高，温度变化1度阻值变化3%-6%，且阻值较大（十几欧的引线电阻对测量结果影响较小可忽略）适合测量微弱温度变化，但非线性严重，使用时需进行
线性化处理。

其它像热辐射与光纤传感器主要用于高温测量且成本高。

则本系统需要的传感器数量大，考虑到成本等多种因素，选用NTC型热敏电阻较为合适2.2 温度电路设计
2.2.1温度电压转换电路由不平衡电轿实现，放大电器采用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，其实现整体电路如下图3，电桥中的电位器用于调平电桥。

2.2.2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aT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。

式中，Rt =R0 exp B
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2可列出串联电路分压的电路方程：
（3）
图2串联电路与并联电路
归一化处理，令
（4）
并联电路经推导得出的电阻值表达式与（7）式相同。

由上式得到的并联电阻值与热敏电阻并联，得到的并联电阻值，从阻值与温度曲线可看出，在常用温度测量区间（0℃～50℃）左右，热敏电阻的阻值的线性化程度有了明显的改善.
只采用硬件的处理并不能较为理想地解决线性化的问题，必须采用软件方法进行线性化补偿校正，并联电阻后使曲线较为平坦，但相邻温度（1℃）之间的电阻差值变小，再连入电桥后相邻温度之间的电压差值变小，从而会影响测量温度的分辨率。

因此，直接将热敏电阻连入电桥中，平衡温度为25℃（电阻10KΩ），将热敏电阻放入恒温浴槽中，改变温度值测定电压值，多次测量选择较为理想的数据。

在常用温度范围内（0℃～40℃），温度与电压之间的线性关系较好，相邻温度（1℃）之间电压差值为40mv左右。

处理数据可采用多项式拟合的方法，得出温度与电压之间的函数关系式。

本系统采用查表的方法，在测量范围内，以1℃为间隔，将所测量的数据列表存储在ROM中。

若测量温度在两个电压数据之间，则采用逐次插值的方法，先计算相邻两点之间的斜率，再根据两点之间的直线方程计算温度值，由公
式8得出，
（8）
2.3 A/D转换部分显示器件和存储设备选择
A/D转换芯片选用MAX1241，它是12位逐次逼近型串行输出的A/D转换器。

其最大线性误差小于1LSB，转换时间为9微秒，采用三线式串行接口，内置快速采样保持电路。

该芯片具有引脚少体积小的特点，接口所需的I/O位数也比较少，对于提高仪器的集成度和减少体积是有利的。

由于输出显示时需用到汉字，例如“XX号的温度是XX.X”, 显示器采用字符型液晶显示模块。

液晶显示模块在各类测量及控制仪表中由于其功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点而被广泛的应用。

其中字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。

以HD44780(HITACHI) 为主控制驱动电路及其扩展驱动电路HD44100 的液晶显示模块是以若干个5 ×8 或5 ×11 点阵块组成的字符块集。

该字符块集中的每一个字符块为一个字符位, 字符间的点距和行距均为一个点的宽度。

它的内部具有字符发生器ROM 以及可显示192 种字符和64 个字节的自定义字符RAM, 因而可自定义8 个5 ×8 点阵字符或4 个5 × 11 点阵字符。

而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性,并能直接与单片机接口。

另外,它还具有专用指令,可方便地实现各种不同的操作。

8051单片机内有程序存储器4KB加128B的数据存储器。

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10分钟采集一次，24小时总共6*24=144次，24小时共需要存储量大于128B。

所以需加一存储器。

本设计中使用串行EEPROM24C01。

串行EEPROM24C01的SCL时为串行时钟端，SDA为串行数据/地址端。

SCL与SDX都是，双向传输线，由于是漏极开路需接上上拉电阻至VCC，WP为保护端接高电平为只读，接低电平是存储器可读可写。

本设计图中接低电平，芯片只需单电源供电。

VCC电压范围为1.8到5.5V. A0、A1、A2为片选或块选引脚可将A0、A1、A2接VCC或地形成片选地址。

3、单元电路设计
3.1温度测量电路(包括非电量部分转换成电量部分和放大信号部分设计)
图3 温度测量电路
3.2 时钟控制
时钟控制部分先采用软件部分实现，即产生周期为10分钟的脉冲计数。

之后连入计时器8253实现24小时的控制。

编程如下：
3.2.1 用单片机内置定时器T0实现10分钟的时钟(即10分钟系统进行采集测温一次)
实现软件编程部分:
ORG 0000H
MX BIT P1.7
CLOCK DATA 30H
LMP MAIN ;跳到主程序
ORG 000BH ;T0中断入口地址
LJMP T0_INT ;转向中断服务程序
ORG 0100H
MAIN: MOV TMOD , #01H ;置T0工作方式为1
MOV TH0, #08DH ;装入指针
MOV TL0, #0F0H
SETB ET0 ;T0断开
SETB EA ;CPU开中断
SETB TR0 ;启动T0
STMP $ ;等待中断
T0_INT : PUSH ACC ; 现场保护
PUSH PSW
CLR TR1
MOV TH0, #0D8H ;重新装入初值
MOV TL0, #0B0H
SETB TR1
INC CLOCK ;软时钟加1
MOV A, CLOCK
CJNE A, #7B70H TMPL
TMPL: JC RETURN ;不到10分钟返回
CPL MX ;到10分钟P1.7取反
MOV CLOCK , #0H ;软时钟清零
RETURN: POP PSW
POP ACC
RETI
END
3.2.2 8253实现计数24小时内测温次数144编程部分:
LMP MAIN ;跳到主程序
ORG 0013H ;外部中断1入口地址
LJMP MN ;转向中断服务程序
MAIN: SETB EX1 ;外部中断
SETB EA ;CPU开中断
SETB TR0 ;启动T0
STMP $ ;等待中断
MN: MOV R0, #010H ;写控制字
MOV ACC, #043H
MOV ACC, R0
MOV 1A, #040H
MOV ACC, #090H ;计数器0的计数初值
MOV A, ACC
SETB
RETI
END
3.3系统硬件电路图: （图3示）
4、小结:
系统在实现数据采集转换过程中基本能能满足系统要求,性能方面个人认为还比较好能达到技术要求。

路电现实体整统系3图。