第七章 智能温度传感器设计

第7章智能型温度测量仪智能型温度测量仪1智能型温度测量仪的原理2智能型温度测量仪的电路结构及特点3软件结构和程序框图4典型智能型温度测量仪实例思考题与习题第7章智能型温度测量仪1智能型温度测量仪的原理1.1智能型温度测量仪的基本功能1)自动零点调整及满度的校正由于智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正，因此可以减小测量误差，同时可实现一表多用。智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器，故又称为温度万用表。2)自动修正各类测量误差智能型温度测量仪能实现对测量传感器（例如热电偶）的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电阻的引线电阻影响的消除等，还可实现各类测量误差的自动修正。第7章智能型温度测量仪3)数据的处理和通信智能型温度测量仪可进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的；实现各种控制规律，满足不同控制系统的需求；与其他仪器和微机进行数据通信，构成各种计算机控制系统等。第7章智能型温度测量仪4)多种输出形式智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示、打印记录、声光报警，还可以多点巡回检测。它既可输出模拟量，也可输出数字量（开关量）信号。5)自诊断和断电保护智能型温度测量仪对仪表内部各种故障能自动诊断出来，并能进行故障显示或报警。断电时，仪表内的切换电路自动接上备用电池，以保持储存的数据。第7章智能型温度测量仪1.2智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪与其他智能化仪器一样，也是由硬件和软件两大部分组成的。1.硬件结构智能型温度测量仪的硬件部分由单片机主机电路、过程输入输出通道、键盘（人—机联系部件）、接口和显示打印部分组成，如图1所示。第7章智能型温度测量仪图1智能型温度测量仪的硬件组成框图模拟量模拟量输入电路单片机主机电路模拟量输出电路输出模拟量信号开关量输出电路输出开关量信号通信接口通信数据显示打印键盘开关量开关量输入电路第7章智能型温度测量仪2.系统软件智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。监控程序用于接受和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行；中断处理程序是用于人—机联系或输入产生中断请求以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序；软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。第7章智能型温度测量仪3.工作流程智能型温度测量仪的工作流程如图2所示。由温度传感器进入的模拟信号（直流电势或电阻）经过输入信号处理，即经过交换、放大、整形和补偿后，由A/D转换成数字量。此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。微处理器CPU对输入的数据进行加工处理、分析、计算后，将运算结果存入读写存储器中。与此同时，将数据显示和打印出来；也可将输出的开关量经D/A转换成模拟量输出，或者利用串、并行标准接口实现数据通信。整机工作过程是在系统软件控制下进行的。工作程序编制好后写入只读存储器中，通过键盘可将必要的参数和命令存入读写存储器中。第7章智能型温度测量仪图2智能型温度测量仪的工作流程输入信号处理模拟量A/DI/O输入缓冲器键盘RAMCPU输出缓冲器开关量输出D/A模拟量输出并行或并行I/O通信数据打印显示重复上述工作第7章智能型温度测量仪2智能型温度测量仪的电路结构及特点2.1主机电路1）MCS-51系列单片机的结构与特点MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器。片内的RAM和ROM空间都比较大，RAM可达256字节，ROM可达4～8KB。由于片内ROM空间大，因此BASIC语言等都可固化在单片机内。现在的MCS-51系列单片机已有许多品种，其中较为典型的是8031、8051和8751三种。第7章智能型温度测量仪8031型单片机片内无ROM，应用时必须外接EPROM才可使用；8051型片内具有4KB字节的掩膜ROM；而8751型片内则具有4KB字节的紫外线可擦除电可编程的EPROM。这三种芯片的引脚兼容，从而把开发问题减小到最低限度，并提供最高的灵活性。8751最适用于开发样机，以及小批量生产和需要现场进一步完善的场合；8051适用于低成本，大批量生产的场合；8031则适用于能方便灵活地在现场进行修改和更新程序存储器的场合。第7章智能型温度测量仪MCS-51系列单片机指令系统提供了七种寻址方式，可寻址64KB字节的程序存储器空间和64KB字节的数据存储器空间；共有111条指令，其中包括乘除指令和位操作指令；中断源有5个（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级都是可编程的；在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在MCS-51系列单片机内部，还有1个由直接可寻址位组成的布尔处理机，即位处理机。指令系统中的位处理指令专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理，特别适用于位线控制和解决各种逻辑问题。第7章智能型温度测量仪MCS-51简化结构框图与逻辑符号如图3所示。图中信号端子的意义如下：XTAL1、XTAL2：内部振荡电路的输入输出端。RESET：复位信号输入端。EA：内外程序存储器选择端。当EA为高电平时，访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部存储器。ALE：地址锁存信号输出端。PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端。第7章智能型温度测量仪P0～P3：四个8位I/O端口，用来输入输出数据。P3口中还包括了一些控制信号线。MCS-51系列单片机存储容量较小，许多情况下需要外接EPROM。此时，P0、P2口作为地址/数据总线口。关于MCS-51系列单片机的详细内容可查阅有关参考资料。第7章智能型温度测量仪图3MCS-51(a)结构框图；(b)逻辑符号RAMP0P1SFAP2P3ROM/EPROMCPU(a)(b)XTAL1XTAL2P0RESETP1P2P3＋5VALEEAPSEN第7章智能型温度测量仪2）主机电路图4用8031单片机等构成的主机电路74LS3738031XTAL1XTAL2P2.7RESETP2.4＋5VALEEAP2.3&&2.32.7PP2.32.7PPP2.0GE2764CEOED0～D7A0～A7A8～A12PSENRDWR6116(Ⅰ)CEOED0～D7A0～A7A8～A10WE6116(Ⅱ)CEOED0～D7A0～A7A8～A10WEP2.0～P2.38155ADTinToutPC0～PC7PC0～PB7PA0～PA7RESEALEWRRDCEP2.7P2.0M/IO～P2.0P0.7～P0.0第7章智能型温度测量仪2.2温度检测电路温度是一个很重要的物理参数，也是一个非电量，自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品的生产过程中，温度的测量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。因此，温度的测量是一个具有重要意义的技术领域，在国民经济各个领域中都受到相当的重视。常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等。由于各种温度传感器工作原理不同，因此有不同的应用检测电路。第7章智能型温度测量仪电阻温度传感器的主要优点是：（1）测量精度高，对非温度量不敏感；（2）有较大的测量范围，灵敏度高；（3）线性度好，便于自动测量。第7章智能型温度测量仪图5单电桥测温电路原理图R3I2BDU0RWR2I1R1R4IR(t)E1WR2WR第7章智能型温度测量仪在进行电路设计时,一般是已知传感器的温度特性,根据测温环境确定电桥平衡方式、激励源选择、电压灵敏度、放大与引线电阻补偿等。现以铂电阻温度传感器为例，说明单电桥电路设计与应用的简单方法。假设已知某铂电阻温度特性如图6所示。t=0℃时，R(t)=100Ω;t=200℃时，R(t)=150Ω;则ΔR=0.25Ω/℃。设通过R(t)的电流小于2mA，测温距离为100m，要求U0=100mV。第7章智能型温度测量仪图6单电桥测温电路原理图0100150100200R(t)/t/℃第7章智能型温度测量仪1）电桥结构的选择如图5所示，电桥采用等臂电桥，选择R1=R2=R3=R4，铂电阻R(t)R1。为了调整电桥平衡，采用可变电阻RW，这样RW分为两部分。电桥平衡时，（RW1+R2）R4=［R1+R(t)］(RW2+R3)，则U0=0。因为R(t)冷电阻为100Ω，所以可选择R1≥10R(t)。设选取R=R1=R2=R3=R4=2kΩ，则RW可调电阻为200Ω，这时可用RW调整电桥平衡，RW称为调零电位器。在0℃时调整，使电桥平衡，即调节RW，使得U0=0V。第7章智能型温度测量仪2）激励电源电压的估算单电桥电路中激励电源的主要作用是：在电阻温度传感器R(t)以及固定电阻R1、R2、R3和R4中产生一定的电流，将电阻的变化转变为电压的变化。但R(t)中电流是有限的，不能过大，否则由于本身电流发热而影响温度的测量。对于固定电阻中的电流也不能过大，并要求固定电阻有较大的功率容量，其近似估算是：第7章智能型温度测量仪先设定一较低电压，例如E选用5V，则总电流I为mA5.2)//()(4321RRRREI则每臂电流I1、I2分别为mA25.124321214321431IIRRRRRRIRRRRRRI从上面估算可以看到，流过R(t)的电流小于2mA，故本身的热量变化不会影响环境的变化。同样,流过固定电阻上的电流也小于2mA。第7章智能型温度测量仪3）单电桥电路输出信号的放大由前面所选定铂电阻的ΔR=0.25Ω/℃，可得电压灵敏度为mV15.0200025.05414110RREU图5所示电桥是双端输出的，若采用运算放大器，则要用差动放大电路，如图7所示，其输出电压为B、D点的电位差。如电路选用Rf=R′、R1=R2=R，则运算放大器放大的电压为)(DB1f'0UURRU选择不同的Rf与R，则可得到所放大的信号。第7章智能型温度测量仪图7差动放大电路△∞＋－AU0RfR1UBUDR2R第7章智能型温度测量仪4）传感器引线电阻的补偿实际测量中，由于被测温环境离控制室较远，因此传感器要经较长的导线置于测温环境中，这样，引线电阻必然会影响电桥的平衡。例如，50m长的导线引入1Ω的引线电阻，会使R(t)测温偏离约5℃的误差，所以对引线电阻要进行补偿。最常用的引线电阻补偿方法是三线补偿法，如图8所示。图8(a)为二线连接法，由于有引线电阻RL,因此会影响电桥平衡（平衡点仍为B与D点）。图8(b)为用三根导线连接传感器，其中两根引线电阻在桥臂中以相同的方式发生变化并相互补偿，即这两根导线中电流的方向相反，引线电阻正好抵消。第7章智能型温度测量仪图8引线电阻补偿方法示意图(a)二线连接方法；(b)三线连接法RW1R2R1DBR3RLR(t)R4ERL(a)RW2R2R1DBR3RLR(t)R4ERL(b)RL第7章智能型温度测量仪2.3过程输入输出通道1.模拟量输入通道模拟量输入通道一般由滤波电路、多路模拟开关、信号转换放大器、采样保持器（S/H）和模/数转换器（A/D）等组成，输入通道经过输入接口与主机电路相接。模拟量输入通道有单通道与多通道之分。多通道中，每个通道有各自的A/D转换器等器件（如图9所示），或者共享A/D转换器等器件（如图10所示），这时，就要有多路模拟开关。第7章智能型温度测量仪图9每个通道有各自的A/D转换器等器件的结构模拟输入信号放大S/HA/D放大S/HA/D放大S/HA/D输入口CPU…主机电路……第7章智能型温度测量仪图10多通道共享A/D转换器等器件的结构模拟输入信号放大S/HA/D输入口CPU主机电路多路模拟开关…第7章智能型温度测量仪如果输入信号来自温度变换器，则输入通道就可省略放大器。此外，由于温度是个缓慢变化的物理量