电子设计大赛多点温度测系统.doc

2004年山东省大学生电子设计竞赛 设计说明书 设计题目：多点温度检测系统 编号：D甲2404 专业：电气工程、自动化 参赛学校：山东科技大学青岛校区 参赛学生：方育阳 孟海磊 倪江涛 指导教师：黄鹤松 朱其刚 郑效田 2004年9月13日 摘 要 本设计根据课题要求，无论主控器单元还是各检测器单元都选用了价格低廉的AT89S52单片机为CPU，选用完全符合测量温度范围要求且工作一致性很高的PT100热电阻作为温度传感器，由自行设计的精密恒流源电路构成能补偿温度传感器线路阻抗的四线制高精度采样电路，信号的调理主要由失调电压很低、线性误差极小的高精度仪用放大器AD620来完成。还可以通过主控单元的键盘来设定各检测器的各种参量，并具有温度数码显示、报警存储、系统时钟等功能；系统增加的用PC机来实现各种参量的设置也符合目前对工业现场参数远程监控的要求，能对现场的温度数据进行存贮、报警、打印曲线等功能。现场所有的通信总线采用技术十分成熟的RS-485。 为提高测量精度，采用分段的最小二乘法对实验数据进行预处理，采用0.1级的标准电阻箱对系统进行与PT100的分度表进行误差对比。经过各项实验测试，该系统的性能指标不仅全部达到了任务书的基本要求，而且在各检测单元具有独立的非掉电的系统时钟、主控器所带检测器容量、增加的温度超限声光报警、与PC机通信等多方面达到或超过发挥部分的要求。 该系统根据需要，稍加改造可方便地移植于压力、液位、流量等方面的检测场合。 方案的比较与电路选择 根据竞赛设计任务的总体结构框图，构成多点温度检测系统的总体方案是采用主从网络式结构，为考虑目前工业现场的各类智能分站大多采用PC机作为上位微机，因此，我们对本方案进行修改，修改后的方案是将题目要求的主控器单元与我们增加的PC机功能并列，从而实现PC机在参数设置（包括系统检测器的容量设置、各检测器的系统时钟设置，温度报警值的设置等）、各检测器的温度历史数据、报警记录以及形象直观的温度工作曲线（可调出观察也可打印存档）等方面的优势。具体修改后的结构框图如下图一所示： 图一 系统框图 除了总体方案的改进之外，根据题目的要求，本系统的硬件制作的部分主要是主控器和检测器两部分，而且，分析题目的所有设计要求，本系统为典型的单片机检测应用系统，而原先采用的模拟式和数字式都很难实现本系统所有的功能，因此，本系统上述两部分硬件的方案我们直接采用智能式的单片机系统，根据题目的要求，我们采用的主控器和检测器的结构简图见下图二所示。 检测器部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大器、A/D转换电路、看门狗和存储器电路、时钟电路、显示电路、声光报警电路以及与主控器或PC机的通信电路等。 图二中虚框内的部分为主控器的结构简图，它与检测器在硬件上的主要区别是少了检测器的温度信号的获取、调理电路以及A/D转换电路，多了键盘电路。 图二 主控器和检测器结构简图 下面对各部分的电路设计与选择介绍如下： ⑴传感器的选择 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司DS18B20，MAXIM公司的MAX6576、MAX6577，ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质均为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年也比较流行的I2C总线，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但这类器件的最大缺点是测温的范围太窄，一般只有-55～+125℃，而且温度的测量精度都不高，好的才±0.5℃,一般有±2℃左右，因此在高精度的场合不太满足用户的需要。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-