单片机温度数据采集设计

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温度传感器也称热敏传感器,是由热敏元件和测量放大电路等构成的器件。
热电偶和热电阻是两种较常用的测温元件。热电偶是利用热电效应,将与热电偶元件接触的介质的温度转换成电压,其输出灵敏度为/℃级,室温下典型输出电压为毫伏级。热电偶具有低输出阻抗,几何尺寸小、温度范围宽。
热电阻是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化的热电阻效应原理制成的,此类温度传感器有金属导体热电阻和半导体热敏电阻两种。金属导体热电阻测温范围为-200℃至+85℃,半导体热敏电阻测温范围为-270℃至+1300℃。热敏电阻是一种新型感温半导体元件,它与金属热电阻最大区别是具有负的热敏系数,即当温度升高时阻值减小。
地址线
被选通的模拟通道
C
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A
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1百度文库
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START:A/D转换启动控制信号,输入,正脉冲有效。START的上升沿将内部逐次逼近寄存器复位,下降沿启动A/D转换,如在转换过程中START再次有效,则将中止正在进行的转换,开始新的转换。START信号最小宽度为ALE的宽度。
图1 系统总体结构框图
该设计还充分利用了CMOS单片机80C51的软件资源。其软件主要包括主程序模块、显示模块、A/D转换模块等子程序模块所组成。各个模块都必不可少,完成一些特殊功能。通过软件间的配合,既节省了许多硬件资源,减小了开支,又减少了系统误差和随机干扰,提高了测量精度,使设计更加实用。
2.1 传感器的选择
测温范围-50℃~+150℃;
温度依电流变换,适于远距离测量;
电源电压范围4V~30V,电阻采用激光修刻工艺,+25℃(298.2K)时,输出电流298.2μA;
成本低,实用性强。
AD590的主要特点:
(1)仅需+4V~+30V的直流工作电压,不需要传送器、滤波器和线性化电路等。
(2)一致性非常好,当温度298.2k(+25度)时,AD590均输出稳恒电流298.2uA,随温度升高或降低以luA/1.0k增减其输出电流,因而AD590很容易互换。
长期以来,人们在测量温度时,大部分使用常规的测量方法测量。检测精度要求较高时,调理电路复杂,A/D的位数高,使设计的系统成本居高不下,很难普及。
为了确知某一测试对象的各项特性,我们常常借助各种仪表和各种手段来获得各种各样的测量结果。但是这些数据中包含有变换误差,设备误差以及在传输过程中引入的各种干扰所造成的误差等。而且这些数据量通常都很大,有意义的部分和无意义的部分混杂在一起,如果不加取舍的直接应用必然会造成极大不便,另外,很多情况下还需要通过加工以便提供物理意义更明确更直接的数据形式,上述这些问题需要靠数据采集与处理加以解决。随着电子技术的发展,电子技术行业也发生巨大变化,电路集成程度的提高,数据采集系统的体积越来越小,可取性越来越高且出现了单片机的数据采集系统。而且出现了很多功能完备的低功耗、低电压大规模集成电路,为设计便携式高精度测温系统提供了硬件基础。
CLK:外部时钟信号引入端。ADC0809内部没有时钟电路,需外部提供。简单应用可由80C51的ALE信号提供。最大频率640KHZ。
D7~D0:数据输出端,D7为高位。
OE:输出允许信号,输入高电平有效。该端为高电平时,芯片输出锁存器被开启,将A/D转换结果送至数据总线。打开三态输出缓冲器,输出转换结果。
1 “+”电源 2“-”电源 3 管芯衬底(浮置)图2.2 引脚示图
图 2.1 AD590管脚排列
集成电路温度传感器利用了半导体PN结电流电压特性和温度的相关性,和热敏电阻、热电偶相比,最大优点是输出线性好,测温精度较高。感温部分、传感器驱动部分、信号处理部分等电路均集成化并封闭在一个小型管壳内,使用方便。
ADC08系列是美国国家半导体公司(National Semiconduct)的一个A /D转换芯片系列,具有多种芯片型号,其中ADC0804型是8位8通道全CMOS型A/D转换器。其特点为:它是20引脚双列直插式封装芯片,单通道选择输入方式。其特点是内含时钟电路,只要外接一个电阻和一个电容就可以自身提供时钟信号;也可以自行提供VREF+和VREF-两端的参考电压,允许模拟输入信号是差动的或不共地的电压信号。
图2.2(b)ADC0809引脚图
2.2.3引脚功能
ADC0809共有28个引脚,各引脚功能如下:
IN0~IN7:模拟量输入通道。由ADC0809内部地址译码选通。
A,B,C:地址线,模拟通道的选择信号。A 为低位地址,C为高位地址。其地址状态与通道对应关系见下表:
表 2.3 ADC0809通道选择真值表
LED显示器有两种显示方式:静态显示和动态显示。数码管有7段数码管和8段数码管之分。本课题由于要采集确切温度值,所以选用带小数点的七段LED显示器静态显示。静态显示是指当八段数码管显示一个字符时,该字符对应段的发光二极管控制信号一直保持有效。
3 硬件电路设计
传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理模块和控制模块(微处理器和存储器)、供电模块(电池)等组成。
热敏电阻特点是: 电阻温度系数绝对值大,因而灵敏度高,测量线路简单,不用放大器即可得到几伏的电压; 体积小,重量轻,热惯性小;本身电阻值大,无需热敏电阻那样考虑线路电阻及连接方式,适合于远距离测量;制作简单,寿命长,价格便宜;非线性大,稳定性和重复性差。
晶体管温度计是利用基极和发射极之间电压受温度影响的原理设计而成的。
热电偶由于热电势小而灵敏低,热敏电阻由于非线性而影响精度。鉴于分立元件温度传感器的缺点,国外一些公司研制生产了一些IC集成式温度传感器,如AD590、LM134等。此设计使用AD590,因为与其它温度传感器相比它有以下优点:
精度可达正负0.5℃;
性能稳定;
体积小、重量轻;
线性度好,1μA/K;
精度可达正负0.5℃;
A/D器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件,A/D转换器的品种繁多,性能各异,在设计数据采集系统时,首先碰到的是如何选择合适的A/D转换器以满足系统设计要求的问题,选择合适的A/D转换器需要考虑器件本身的品质和应用场合的要求。ADC0804与ADC0809较适合,下面我们比较下它们的优缺点,选其一。
地址锁存与译码器控制8位模拟开关,实现对8路模拟信号的选择。8个模拟输入端能接收8路模拟信号,但相对某一时刻只能选择其中的一路进行转换。树状开关与256R电阻网络一起构成D/A转换电路,产生与逐次逼近寄存器中二进制数字量对应的反馈模拟电压,送至比较器,与输入模拟电压进行比较。比较器的输出结果和控制与时序电路的输出一起控制逐次逼近寄存器中的数据从高位至低位变化,依次确定各位的值,直至最低位被确定为止。在转换完成后,转换结果送到三态输出缓冲器。当输出允许信号OE有效时,选通输出缓冲器,输出转换结果。
(3)电流输出,具有优良的干扰抑制比,只需很小的功率(1.5mW)。
(4)电源电压漂移和纹波不敏感。电源电压+5V变到+l0V仅引起lμA最大的电流变化。
(5)电气上耐用,可承受正向+44V,反向+20V的电压不损坏,不必担心管脚接错。
AD590的外形及管脚排列:AD590外形及大小与一般晶体三极管相当高3mm,直径4mm,有三个引出端其管脚排列见图2.1和图2.2:
本系统由温度信号检测系统,A/D变换部分,译码显示和电源部分组成,其系统结构如附录原理图。
硬件电路工作过程为先由温度传感器测得被测温度,该测量经过前端处理电路(包括集成运放和A/D),经放大器放大后送A/D转换器,由A/D转换器将此信号转换成为单片机所能识别的二进制信号再经P接口输入单片机。单片机每从感温传感器上采集一次信息,就将此信息暂时储存起来,然后再把所采集到的信号与补偿信号比较处理后得出实际的温度值并由驱动器处理,由LED显示输出结果,显示输出采用静态的LED显示方式。
基于以上优点,本系统采用AD590作为温度传感器。
2.2 A/D转换器的选择
A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换,它是控制系统中不可缺少的环节。
A/D转换器与电子计算机一样,其发展也经历了由电子管到晶体管再到集成电路的三个阶段,形成了组件型、混合型、单片集成型几种结构。单片集成型A/D体积小、成本低、性能优良,特别适宜于在实时控制系统中应用。
2 方案设计
温度采集在现实生活中有着非常重要的地位。以往传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好解决。
本设计的电路由温度传感器、调理电路、A/D转换、控制处理及显示五部分构成。温度传感器采用电流型的AD590,调理电路采用OP07将模拟电流信号转为电压信号并放大,ADC0809用作A/D转换器,将采集的模拟量转换成数字量通过80C51处理后由数码管显示出来。由于采集、处理、显示数据通过单片机软硬件相结合,所以控制系统具有可靠性,设计简单、实用性强的特点。具体工作过程为:由温度传感器AD590测得被测温度,该测量经过前端调理电路(包括集成运放)把AD590测得温度,经放大器放大后送A/D转换器,由A/D转换器将此信号转换成为单片机所能识别的二进制信号再经P1口输入单片机,由数码管显示出来。其中调理电路包括电流转换成电压及放大部分。结构框图如下图所示:
最低功耗15mW;
2.2.1内部结构图和管脚排列图
该芯片的内部机构图和管脚排列图分别如图2.2(a)和(b)所示。
图2.2(a)ADC0809原理框图
2.2.2主要组成及功能
8位A/D转换器是逐次逼近式,由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状电子开关以及256R电阻阶梯网络等组成。虚线框中为芯片核心部分。各部分功能大致如下。
1 引言
我国农业正处于从传统农业向优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。农业环境综合控制作为农作物速生、优质、高产的手段是农业现代化的重要标志。农业设施的自动检测与控制是我国科研急待发展的项目。
温度作为作物生长一个非常重要的参数,温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟等等。对于不同的作物,其适宜的生长温度总是在一个范围。超过这个范围,作物或许会活着,但是其生长的规律将发生明显的变化。这对于我们所希望的要求作物能够优质、高产的愿望相距甚远,所以我们必须实时获取作物生长的环境温度。同时,我们也希望作物的适宜温度范围可以由检测人员根据实际情况加以改变。同时,由于作物分布空间的狭小,各点的温度在同一时间上可能存在差异,所以对于温室必须采取多点采集,以保证能够更准确的获知作物生长的实时温度。
GND:数字端
ALE:地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效,仅当该信号有效时,才能将地址信号锁存,经译码后选中一个通道,并通过译码逻辑接通所选择的通道进行A/D转换。
基于以上优点我们选择八通道模拟输入的ADC0809。
2.3 显示电路选择
单片机系统常用的显示器件有LCD(液晶显示模块)和LED(数码显示摸块)两种。LCD显示功耗低但成本高,LED要比LCD经济的多,且课题也就仅要求显示数字,所以选用LED来显示。
ADC0809也为8位8通道全CMOS型A/D转换器,其综合功能技术指标为:
八通道模拟输入,模拟范围 0V~5V;
转换时间100µs;单电源5V供电;
分辨率 8位;无失码;
可锁存的三态输出,与TTL电路兼容;
工作温度范围–40℃~80℃;
时钟频率10KHz~1280KHz,典型值610KHz;
无须调零和满量程调整;
UREF(+)和UREF(-):外接基准电压的正极和负极。这两个输入端为ADC内部D/A转换逻辑提供电阻的标准水平。UREF(-)接0时该端同时也成为A/D转换器的模拟地。
EOC:转换结束信号,高电平有效。EOC平时为高电平,在START信号的上升沿之后0~8个时钟周期内,变为低电平,转换结束后,再次升为高电平,向外部发出转换结束信号。EOC信号可作为中断申请信号。如将EOC与START连接,则每次转换结束时将启动一次新的转换,转换继续进行。这种直接启动方式要求转换开始时由一外部脉冲信号启动。
3.1 单片机简介
CMOS 芯片的80C51单片机是8051的改进型单片机,8051芯片的功耗为630mW,而80C51的只有120mW,是8051的1/5,这具有十分重要的意义,相对于8051,80C51耗电更低,工作更加稳定可靠,适用范围更广的优点。综合各种考虑,本题目选用单片机80C51,具体管脚如图3.1所示:
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