环境温度检测（通用7篇）
环境温度检测 篇1
0 引言
动植物生长都需要适宜的环境条件,温度是最主要的环境因子之一。对于植物,温度不仅能通过影响光合、呼吸和蒸腾等代谢过程影响植物生长,而且也可以通过影响有机物的合成与运输等代谢或水肥的吸收和输导过程影响植物生长[1,2];对于动物,温度可直接或间接地影响其生长发育、繁殖和生活状态等行为[3,4]。除此之外,温度的变化还能引起湿度、降水、氧气在水中的溶解度以及食物和其他动植物活动或行为的改变,从而间接影响动植物的生命活动。因此,及时了解环境温度情况对于指导农业生产有着非常重要的实际意义。目前,我国多数农户依然采用悬挂温度计的方法进行温度检测,这种方式存在着效率低和误差大等缺点,远不能满足现代农业发展的需求;而现有手持式温度监测设备由于存在价格高与操作复杂等缺点,很难在农业生产中推广应用[5]。我国农业正处于从传统农业向现代农业转化的阶段,开发操作简单、检测精度高和适用于农业实际生产的环境因子检测设备是现代农业发展的最基本需要。
本文以STC12LE5A60S2单片机为核心[6,7],以数字式温度传感器DS18B20为温度数据采集器[8,9],以SD卡 (Secure Digital Memory Card)作为数据存储设备[10,11],设计了一种支持用户现场读数和数据存储功能的手持式温度检测仪,可实现现场读数与历史数据查询,且支持与PC机的数据通信及数据长期存储。实际应用证明,本仪器可适用于农田、温室动物养殖或植物种植环境温度检测场合,具有较高的实用价值。
1 系统结构设计
系统采用模块化设计,主要包括传感器模块、中央处理模块、时钟模块、数据存储模块、人机交互模块及电源模块等6个部分。传感器部分选择数字式温度传感器DS18B20,可以省去A/D模块,简化电路设计;数据存储模块运用SD卡槽安装SD卡,实现数据的存储;时钟模块选用DS1302,具有系统提供时间功能;电源模块利用TPS79533芯片将外接电池电压转换成3.3V为系统供电;中央处理模块采用STC12LE5A60S2系列单片机作为设备核心处理器;时钟模块采用DS1302芯片设计,为系统及用户提供时间功能;串口模块采用MAX232实现与PC机的数据通信;人机交互模块采用LCD液晶屏,通过并口方式与单片机相连,完成数据显示任务,采用按键完成用户查询信息。系统原理图如图1所示。
2 系统硬件电路设计
2.1 传感器模块
传感器模块选用DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20,其温度测量范围-55～+125℃,工作电压范围3～5.5V,精度±0.5℃,具有将温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理的特点,而且内含64位ROM单元及9字节的暂存器。其独特的单线接口减少了传感器对单片机I/O口的占用,简化了逻辑电路,使系统设计更灵活方便,而且可靠性高,价格低,完全满足农业应用对温度检测的要求。传感器模块的电路连接图如图2所示。其中,1脚GND接电源地;2脚DQ为数字信号输入/输出端;3脚VDD连接供电电源端。
2.2 电源模块及单片机处理模块
本系统运行电压为3.3V。为满足简单易携带的设计要求,系统选择由3节1.5V电池串联供电,利用降压芯片TPS79533将外接电池电压转换为3.3V,再为整个系统供电。该模块根据TPS79533芯片手册中的典型应用示例设计,不需要添加其他的电路。
中央处理模块选用新一代51单片机STC12LE5A60S2作为微控制单元(MCU),工作电压为3.3V,工作频率可达35MHz,内部具有2路PWM输出口,4个16位定时器,8路10位精度A/D转换,56kB Flash存储空间,60kB应用程序空间,1280B的RAM,并集成MAX810专用复位电路,拥有UART与SPI接口,功耗低,抗干扰性强,完全满足系统对环境温度采集及数据处理的要求,且为系统后续开发提供了保障。该模块电路如图3所示。其中:P0口连接液晶屏的8路数据口;P1口与采样信号及SD卡数据存储连接:P1.0接入温度检测信号,完成对温度监测数据的采集;P1.4连接SD卡SS; P1.5连接SD卡MOSI;P1.6连接SD卡MISO;P1.7连接SD卡SCLK,实现SD卡对环境温度信息的存储;P3.0和P3.1口与串口连接,实现程序的烧写以及单片机与PC机之间的通信的要求;P1.1,P4.4和P4.5分别与时钟芯片DS1302的I/O,SCK,RST相连,具有系统时间功能;P2.4～P2.7与4个按键控制连接,满足用户按键操作的要求。
2.3 SD卡存储模块
系统充分考虑农业生产的实际需求,设计SD储存模块,方便用户查询历史环境温度信息,并可为后期实验研究提供可靠数据。
SD卡数据存储有两种总线模式,即SD总线模式和 SPI总线模式。其中,SD总线模式采用4条数据线并行传输数据,传输速率高,但传输协议复杂,只有少数单片机提供此接口;而SPI总线模式虽然只有1条数据传输线,数据传输速率相对较低,但传输协议简单,易于实现。本系统所选用的STC12LE5A60S2型号单片机具有SPI 接口以及SPI控制器,因此可通过SPI总线模式读写数据。图4为SD卡SPI总线方式电路连接图。其中,片选拐角CS与P1.4连接,由于SD卡初始化过程中会自动进入SD总线模式,并在SD总线模式下发送复位命令,因此必须在单片机控制SD卡前,拉低片选信号端CS,使SD卡进入SPI总线模式;然后,再由主机向SD卡发送命令。SPI数据输入MOSI与P1.5连接; SPI数据输出MISO与P1.6连接;SCLK与 P1.7相连接。
2.4 时钟模块
针对用户以及设备自身对时间管理的要求,系统设计时钟模块保证数据的准确化管理。通过对性能、价格以及开发周期综合考虑,选用DALLAS公司开发的具有涓细电流充电能力的DS1302作为时钟芯片,可以对2100年以前的年、月、日、周、日、时、分、秒进行准确计时,且具有闰年补偿功能,完全满足系统要求。DS1302是一款低功耗芯片,具有双电源管脚可用于主电源和备份电源双电源供电模式,2～5.5V宽电压输入,可保证每次传送多个字节的时钟信号或RAM数据给单片机。内嵌用于暂存数据的31*8位RAM寄存器。DS1302硬件电路基于芯片手册中的典型应用电路设计,与CPU通过I/O,SCK,RST等3个引脚相连,具体电路如图5所示。
2.5 串口及人机交互模块
串口模块的主要作用是实现系统与PC机之间的数据传输。该模块采用性价比较高的MAX232作为核心芯片,通过电平转换将单片机串口电平转换为PC机串口电平,并利用该电平转换完成单片机与PC机之间的数据通信,具体电路图如图6所示。
人机交互模块是用户对设备操作和管理的基础。根据系统设计要求,本系统采用LCD显示以及按键方式实现人机交互功能。其中,LCD液晶显示采用带有中文字库的12 864点阵型液晶屏,工作电压3.3V,可直接显示所有汉字与多种图形,简化了系统软件设计以及开发周期,与单片机采用并行通信方式进行数据传输;按键电路采用独立式按键结构,每一个按键占用一个I/O口,任何一个按键工作时都不会影响到其他按键,具有电路配置灵活的特点;同时,为防止按键在机械弹性过程中产生的抖动反应,系统在软件上采用延迟方法消除抖动,即当检测到有按键按下时,执行一个10ms的延迟程序来消除抖动,保证按键正常工作。
3 软件设计
系统软件设计采用Keil作为开发工具,利用C51语言编写,主要包括主程序、传感器解析函数、SD卡程序、Petit FAT文件系统函数、LCD液晶显示子程序和按键中断子程序等。其中,SD卡程序主要包括SD卡初始化、读指定扇区与写指定扇区。为简化系统软件设计,在数据存储到SD卡过程中系统移植了Petit FAT文件系统模块式设计,具有良好的可移植性,可完全移植到51 单片机。通过Petit FAT文件系统模块提供的API函数可以方便操作文件的读写,而不用关注底层细节,软件流程图如图7所示。首先,系统初始化,主要是对各模块初始化;完成初始化之后,系统必须判断是否插入了SD卡,若没有检测到SD卡则提示用户及时插入;确定插入SD之后开始检测环境温度信息,并执行相关程序,实现系统功能。
4 运行结果分析
本系统已通过运行测试,可实现实时环境温度显示。温度数据存入SD卡中指定文件内,具有查询历史数据等所有功能,且运行稳定。测得温度数值虽然与标准温度计存在一定误差(3%以内),但完全符合农业生产要求。图8为设备实物图。
5 结论
通过实际应用证明,手持式农业环境温度检测设备运行稳定,实现了对动植物生长环境温度因子的实时检测,且能够将温度信息存储到SD卡中或直接存储到PC机,用于后期研究分析;也可以通过设备直接查询历史温度数据,方便用户使用。与其他同类温度监测仪相比,该设备具有以下特点:
1)易操作,稳定性高。由于系统采用数字式传感器采集温度信息,采用STC系列单片机处理数据,使设备整体电路简单,稳定性好。同时,系统设计简单,用户不需要掌握太多电子技术就可以操作应用。
2)性价比高。系统充分考虑成本问题,选用目前 市场上同类器件中性价比较高的元器件,不但满足系 统工作性能要求,而且大幅降低了成本。
3)能耗少,待机时间长。系统采用芯片大多为低功耗,电路设计合理,在很大程度上减少了系统耗电,完全适合农民长时间户外使用。
参考文献
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温度检测与控制设计 篇2
当今计算机, 软件, 网络, 微电子, 现代测量技术行业的技术飞速发展, 新型的先进虚拟仪器成为当前系统研究的热点。虚拟仪器的出现使得仪器技术的发展进入到了一种新层次, 虚拟仪器是多门技术与计算机技术结合的产物, 它的发展趋势是逐步代替仪器完成某些功能, 如数据的采集、分析、显示和存储等, 并最终达到取代传统电子仪器的目的。
虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件巧妙地合为一体, 把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起, 通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理, 并通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据, 最后再通过框图模块指定各种功能。采用集成电路温度传感器和虚拟仪器可以很方便地构建一个测温系统, 且此测温系统有外围电路简单, 易于实现的有点, 能实现系统硬件维护、功能扩展和软件升级的功能。本设计将利用labview语言开发平台, 设计一个简单的兼具温度测量与温度控制的系统。
1 设计的目的及任务
1.1 设计的目的
依托LABVIEW完善的硬件驱动, 图形显示和便捷快速程序设计功能, 通过整合外部硬件设计, 可以实现两路水温相互独立自动采集和自动控制, 同时控制上限和下限温度之差。
1.2 设计的任务
利用labview8.6编写的程序, 程序通过输入随机数, 判断是否在设定的温度范围内。如果温度低于初始设定值, 系统就会开始加热并且点亮低温报警灯, 当温度提升到初始设定温度范围内时, 停止报警, 但继续加热, 当温度高于初始设定温度, 此时停止加热, 此时开始报警, 点亮高温报警灯, 等到温度降到初始设定范围之内时, 停止报警, 点亮正常灯。直到温度低于初始设定值时, 系统则开始进入到下一次循环中。
1.3 设计的要求和技术指标
1) 系统控制模块
主窗口操作界面, 数据采集模块, 数据曲线显示模块, 输出控制模块, 报警模块, 数据存档模块
3 各基本单元的原理及设计
3.1 前面板
前面板主要由高温设定旋钮, 低温设定旋钮, 温度计, 波形图表, 状态指示灯和数据文件保存等组成。温度计用于直接测量显示水温;而波形图用于显示实际水温上下限温度之间的关系;状态指示灯用与指示被控温度是否在设定温度范围内。
3.2 程序框图
程序框图是一个典型的多通道连续数据采集和信号输出流程图。框图上面有两路温度采集和控制。温度1和低温1是两路监控, 作用是设定所需最低最高温。
3.3 数据采集模块
温度1由0~100的随机数赋值为随机温度, 高温1、低温1、温度1捆绑输出温度给温度1;
当温度>高温1时, 高温报警灯1亮;当低温1<温度<高温1, 正常灯1;当温度<低温1时, 低温报警灯1亮。
3.4 输出控制模块
当温度升到温度设定范围之内时, 停止报警, 但继续加热, 一直到温度高于高温设定值时, 才停止加热, 但此时又开始报警高温报警灯亮, 直到温度降到与温度设定范围之内时, 才停止报警正常灯亮。
温度2由0~100的随机数和0~1随机数与运算产生的温度赋值为随机温度, 高温2、低温2、温度2捆绑输出温度给温度2;
当温度>高温2时, 高温报警灯2亮
当低温2<温度<高温2, 正常灯2亮
当温度<低温2时, 低温报警灯2亮
3.5 数据存档部分
将得到的6路温度组成数组, 存入电子表格
4 总结心得
本次设计是一个让我从课堂的理论知识到走到了实际操作的难得机会, 通过这次设计让我对虚拟仪器有了更深的理解, 对labview软件的使用与应用也更加熟练了, 从理论到实际操作上也遇到许多困难, 许多看似很简单的问题, 很简单的电路, 需要自己动手使其发挥功能也不是件简单的事。通过这次经历, 让我明白了不断实践是学好电子信息专业的必由之路, 只有自己动手才能将学到的知识和实际电路联系起来。同时, 这次设计还让我意识到自学能力的重要性, 有些没有学到的知识, 通过互联网络搜集、查阅相关文献资料, 组织材料就能化为己用。在实验中暴露的问题学到的经验都会让我在今后的学习与工作中受益, 助我前行。
参考文献
高压带电体温度检测装置 篇3
关键词：高压带电体,温度检测,接触式测温,温度传感器,可调电流源,感生电源,电气绝缘,光纤收发
0 引言
电力电子变流设备中半导体元件工作时由于开关损耗、通态损耗等原因会产生大量的热量,导致元件自身及散热装置温度升高。元器件过温是引起电力设备故障的重要原因之一[1],因此对高压带电体温度进行测量具有重要意义。
目前,高压带电体的测温方法主要有红外测温、光纤测温、传统的接触式测温等[2]。红外测温是一种典型的非接触式测温方式,不存在电气绝缘问题,但是红外探头必须和被测体保持一定距离,正对被测体表面,而且要求被测体表面积足够大且不反光,不适用于封闭式的电力设备内部温度测量。光纤测温是采用光纤作为传感器的分布式测温方式,不存在电气绝缘问题,但空间分辨力低,精度低,影响因素多,且成本非常高。传统的接触式测温方式采用温度传感器与高压带电体直接接触方式,将信号通过金属导线发送至控制器,具有精度高、成本低、技术成熟的优点。但是由于高压带电体对地或不同测量部位之间存在高压,因此难以解决控制器和温度传感器之间、多个温度传感器之间的电气绝缘问题。
针对以上问题,笔者提出了一种新型的高压带电体温度检测装置的设计方案。该装置使用传统接触式测温方式下的温度传感器,继承了其精度高、成本低的优点,采用可调电流源+感生电源的方式实现供电,不同测温点的控制电源之间没有电气连接,各个感生电源与可调电流源通过高压线实现电气绝缘,成本极低,同时使用光纤传输信号,解决了电气绝缘问题;具有报警、显示、通信等功能,是一种优化的高压带电体温度测量装置。该装置可用于3.3 kV、6 kV、10 kV等电压等级的设备,特别适用于高压变频器、有源滤波及功率补偿装置等存在模块串联应用的设备,检测处于不同电位的模块温度。
1 装置硬件设计
1.1 装置组成
高压带电体温度检测装置由供电电路、温度传感器、压频转换电路、光纤发送电路和单片机处理电路组成,如图1所示。装置可以检测多路温度,每一路温度检测均包含独立的控制电源,温度传感器、压频转换电路、光纤发送电路共用单片机处理电路和可控电流源电路。温度传感器把温度信号转换成电压信号并传递给压频转换电路,压频转换电路把电压信号转换成频率信号,光纤收发电路把频率信号经光纤传送给单片机,单片机将光信号还原为温度值,以进行温度显示和超温报警。单机机还可通过通信接口将温度值上传至上层控制系统(PLC或DCS等),实现在线监测。
1.2 供电电路
装置采用接触式测温方式,要求温度传感器与被测体之间紧密接触并涂抹导热硅脂;在被测体本身带电的情况下,要求带电体和测温电路之间满足电气绝缘要求。供电电路如图2所示。电路左侧为可调电流源,可输出恒定电流,其输出使用高压线缆(如6 kV、 2.5 mm2)连接,穿过各个感生电源磁环;右侧各路感生电源之间没有电气连接。可调电流源的输出线缆有很好的电气绝缘性能,因此磁环不必作特殊处理即可解决带电体与控制电源之间的电气绝缘问题。
图2中P1为220 V交流进线端子,交流电经过D1整流,通过电容C1、C2、C3滤波后成为直流电源,然后通过MOSFET变换为脉冲电源。Driver pulse为驱动MOSFET的驱动脉冲,单片机处理电路根据可控电流源输出电流的大小来调整驱动脉冲的占空比,以使可控电流源的电流稳定在一定范围内。脉冲电源通过感应线圈后输出的电压经整流、滤波和稳压之后作为各个测温单元的直流供电电源。
该供电方式的优点:各路测温电路电源相互独立,不存在电气连接,没有绝缘耐压的要求,仅在磁环感应电源和可控电流源的输出电路之间存在绝缘耐压要求,且该要求可通过高压电缆的绝缘性能得以满足。
1.3 温度信号测量、转换及光纤发送电路
温度传感器给出的电压信号通过压频转换电路转换为频率信号,然后通过光纤传送给单片机,如图3 所示。
温度传感器直接安装在被测点上,压频转换芯片选用VFC121[3]。VFC121为单电源供电,线性度好,并有可靠的参考电源。光纤收发器HFBR-1524作为光纤发送接口,用于将VFC121输出的频率信号发送给单片机进行处理。
1.4 单片机处理电路
单片机处理电路[4]由光纤接收转换电路、选通电路、单片机最小系统、EEPROM电路、电流检测电路、脉冲驱动电路、RS485通信接口电路、报警输出电路、显示电路等构成。
从各个测量单元发送来的光信号通过光纤接收转换电路转换为电信号,然后经过选通电路进入单片机。单片机对信号进行处理后将其发送至显示电路,在超过设定温度时输出报警信号。单片机还需检测供电电路的电流值大小,以调整MOSFET驱动脉冲的占空比。
2 装置软件设计
高压带电体温度检测装置的软件流程如图4所示。整个程序中采用了多种抗干扰技术以及软件陷阱技术[5],以防止程序跑飞,使整个装置运行更加可靠、稳定。
3 结语
在实验室对高压带电体温度检测装置进行了测试,结果表明其感生电源电压稳定,温度测量及压频转换工作正常,测温精度高,线性度好,电气绝缘性能可靠,抗干扰性能优异。该装置可与上层控制系统通信,实现高压带电体在线温度连续监测。该装置也可安装在防爆腔内,应用在煤矿井下的高压设备中。
参考文献
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环境温度检测 篇4
关键词：分布式光纤测温度技术,在线检测电缆温度
相对于发达国家我国电缆的故障率比较高, 电缆系统的有效在线温度检测的缺乏是故障率高的重要原因。电力传输的重要载体是电力电缆, 电力电缆的运行温度对高压超高压输配电系统的安全运行起着制约作用。电力电缆的温度升高会造成绝缘的老化, 使泄漏电流能够增大造成绝缘击穿。因此, 需要建立高压超高压电力电缆实时在线测温系统, 使电力电缆系统能够安全运行。
传统的测温方法通过点式感温装置在电缆重要部位的安装, 实现对电缆的测温。这种方法只能测量电缆系统的局部位置的温度, 不能对整个电缆线路进行温度在线监测。分布式光纤测温技术在需要几根光纤的情况下就可以对数公里的线型设备或点式设备进行监测, 因此被广泛应用。
1 分布式光纤传感器概述
2 分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度的实验分析
我们可以通过实验对分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度的情况进行分析, 以便在光缆检测中更好的利用分布式光纤测温度技术, 实现更好的测量效果。
2.1 对实验安装和现场布局进行分析
技术人员可以在实验室的户外场敷设长度大概为140m的220 k V被测电缆, 可以设计一些模拟电缆区, 电缆隧道和模拟工井等区域, 技术人员可以在主处理机上的光纤插口插入感温光缆的一端, 从实验室引出另一端, 将其按照电缆方向在外护套表面紧贴, 用胶布将其贴牢固。为了避免出现问题可以在重点监测部位缠绕圈数较多, 可以用八个点表示。技术人员可以将热电偶和分布式光纤传感器装在这些部位, 可以进行分析和比较。热电偶对温度测量的数据可以通过通道在另一台电脑中显示。
2.2 对实验项目和数据进行分析
在实验时要对空间进行精度的定位, 可以对光缆的八个位置的加热器进行加热, 加热的地方会有温度升高的情况。技术人员将八个升温对应的八个定位点的位置记下, 对比传感器测量位置与实际位置, 测量的误差必须要确保在0.6~0.9米的范围内。
同时, 及时快速的测量, 可以为电缆的防火和报警提供宝贵的时间。就响应时间来说P1~P8通过加热需要大概4~6秒, 时间较短。通过软件可以对温度上限和温度上升速率上限进行设定, 对设置数值偏离的情况下, 会有蜂鸣声作为警报。
此外, 对电缆温度测试的精度要能够有所保证。技术人员可以对P8附近的光缆盘成若干小圈, 在有标准准温度计的恒温装置中将其放置。这个装置具有稳定的恒温性能, 利用温度计可以对温度进行准确的测试。将光缆放入恒温装置后, 要对恒温装置的温度进行设定, 使其能够达到和保持一段时间预先设定的温度, 再对温度计上的数值进行读取。进行多次实验, 实验结果可以用下表表示。
通过对下表的分析可以得出传感器对温度的检测和标准温度计对温度的检测是有一定偏差的。
3 分布式光纤测温度技术应用于电缆绝缘的在线检测
电缆在发生绝缘故障时经常会出现击穿部位及附近温度突然升高等特殊现象。技术人员如果对此现象能够提前检测, 就可以通过预防措施避免事故的发生。
技术人员可以将直径为2.5m m的光缆敷设在10 k V X LPE单芯电缆护套表面, 要对重要点的位置进行确定, 可以将电缆终端配置在电缆两头, 将工频电压施加给电缆, 并使电压的速度提高。电压在上升到102k V时, 会在103和113米的位置出现波峰。电压的继续升高, 波峰的明显程度会增加, 温度幅值也会不断上升。54分钟后, 电缆就会被击穿。这两个位置的幅值是33.5和33.8摄氏度。除过这两个位置, 其他的的温度在21~22摄氏度之间。电缆被击穿后要对电缆及时检查, 就会发现两个波峰的位置正好是击穿的位置。
通过这个实验说明分布式光纤测温度技术是电缆绝缘监测的有效的新方法。在具体生产电缆的工作中, 可以在电源内部埋入光纤, 对电缆的导体温度能更直接的反映, 使电缆的载流量能更容易确定。此外, 报警系统较灵敏可以使火灾事故有效避免, 分布式光纤测温度技术是电缆绝缘监测的有效方法。
4 总结
综上所述, 分布式光纤测温度技术已经广泛应用于在线检测电缆温度, 它是一种电缆温度检测非常科学、有效的方法。文章先对传感器进行了简单的分析, 再通过实验分析了分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度的方法和步骤, 最后对分布式光纤测温度技术应用于电缆绝缘的在线检测进行分析。希望通过本文的研究对分布式光纤测温度技术在线检测电缆温度水平的提高有所帮助。
参考文献
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温度检测系统电路的设计 篇5
在日常生活中随处可见到温度检测与控制的应用实例,如冰箱、空调以及暖棚等都是通过对温度的检测进行控制的。在工业生产过程中,温度检测与控制同样重要,在有些工艺生产过程中,温度直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度检测系统是非常有价值的。
1 温度检测系统的设计方案
方案一 : 由信号采集模块、A/D转换模块、微处理器模块、信号显示模块、温度设定模块等组成。
方案二 :由信号采集模块直接与微处理器模块相连,去掉A/D转换模块。显然在硬件实现上第二种方案比第一种方案所用的元器件少,硬件电路简单。这里在实现中选用第二种方案。
2 系统的硬件电路设计
该电路由两大部分组成 :信号采集模块、信号处理及显示模块,总体结构框图如1-1所示。
信号采集主要由传感器来完成,使用美国DALLAS公司推出的一种改进型数字温度传感器DS18B20,来实现温度信号采集。信号处理器及显示电路主要由微处理器、按键和信号显示组成,采用AT89S52作为微处理控制器,按键电路完成温度设定,采用4个按键来实现“高限定温度设定”“低限温度设定”“加1”“减1”功能。信号显示采用3位LED动态显示。该设计结构简单,有较强的通用性 , 所设计的系统可以实现如下功能 :
1)温度设计波动范围小于 +1%,测量精度小于 +0.1% ;
2)实时显示当前温度值和设定温度值 ;
3)采用按键控制,设置复位键、运行键、功能键、加1键、减1键 ;
4)实现超限报警(这部分预留输入 /输出口,备扩展用)。
2.1 信号采集模块电路设计
信号采集模块即系统输入通道,主要实现温度的测定,采用温度传感器芯片DS18B20来实现。该芯片的物理、化学性能很稳定,能用作工业测温元件,线性较好。在0~100℃时,最大线性偏差小于1℃。该芯片直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制,因而用来实现温度测定是非常好的。
由于测量精度要求为0.1℃,而考虑到测量干扰和数据处理误差,则温度传感器精度应更高,才能保证控制精度的实现,这个精度可粗略定为0.1C,故温度传感器需要能够区分0.1℃ ;由于测量范围为 -50~125℃,以0.1℃作为响应的AD区分度要求,则AD需要区分125--(-50)/0.1=1750个数字量。DS18B20符合设计要求,能直接完成有温度信号向数字信号的转换,从而省去A/D转换及其信号调节电路,简化了硬件设计部分。
由于DS18B20信号线只有一条,它的通信功能是分时完成的,这样读写时序显得尤为重要,系统对其各种操作必须按规定协议进行。如初始化DS18B20——发送ROM功能命令——发送存储器操作命令——处理数据。完成温度数据转换后,把转换后的结果与其存储器中的TH字节和TL字节内容进行比较。如果发现T>TH或T<TL,表明温度超限,置位报警为,并对主机发出报警搜索命令,做出响应。
2.2 信号处理及显示模块电路设计
此模块主要由复位电路、时钟电路,以及按键模块和显示电路组成。复位电路和时钟电路采用常用的电路,这里不再赘述。按键模块主要由4个按键开关组成,即高限设定S1, 低限设定S2、加1键S3、减1键S4。高限设定S1键完成最高温度设定功能,按一次进入设定状态,可以按S3或S4键来进行设定,再按一次S1键,确认设定完成。S2键用来设定最低温度,功能与S1键相似。在本系统中,用两个不同颜色的发光二极管来作为报警标志,红灯闪烁表示超越高限,绿灯闪烁表示超越
2.2.1 显示电路
显示电路采用3个共阴极LED数码管构成。LED数码管显示器的工作方式分为静态和动态两种显示方式。
动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器,与各数码管I/O接口的接线是共用的。其特点是有闪烁,使用元器件少,占I/O线少,必须扫描,花费CPU时间多,编程复杂。
本电路为了节省单片机的I/O接口,采用动态显示方式,3个数码管断码复接在一起与单片机PA(PA0~PA7)口相连,PB0~PB2作为位码输出口,进行扫描时没PB口的低3位依次置1,依次选中从左至右的LED1~LED3数码管,使用三极管9013作为位码输出驱动。
2.2.2 键盘电路
键盘作为单片机系统中完成控制参数输入及修改的基本输入设备,按有无编码来分,可分为编码键盘与非编码键盘。按键组连接方式来分,可分为独立连接式键盘与矩阵连接式键盘。
独立连接式键盘的每键互相独立,各自与一条I/O接线相连,CPU可直接读取该I/O接线的高 / 低电平状态。其优点是硬件、软件结构简单,判键速度快,使用方便 ;缺点是占I/O接线多。多用于设置控制键、功能键,适用于键数少的场合。
本电路的按键比较少,只有S1~S44个,故采用独立连接式键盘,单片机I/O接口PB7,PC0~PC3的状态来获得键盘按钮的闭合信息。当键盘按钮未按下时,单片机读取I/O接口PB7、PC0~PC3的状态全是1,当有某个按键按下时,如S1按下时 ,PB7的状态就发生改变,有1变为0。
3 软件设计
系统的软件设计包括主程序、读取温度子程序、温度转换子程序、键盘扫描和显示子程序。
4 结论
实用的温度检测仪表设计 篇6
温度测量系统应用广泛,涉及各行各业的各个方面,因此温度测量仪表在各种不同的领域中都占有重要的位置。技术发展的日新月异,行业需求不断提高,电子、通信、计算机、传感器及传感器材技术的迅速发展,测量领域内对温度检测的要求也越来越高。科技发达的今天,对温度的测量与控制水平直接影响到人类的所有活动。从降低开发成本、扩大适用范围以及系统运行的稳定性、可靠性出发,文章设计了一款以Pt100铂热电阻为温度信号采集元件、以单片机为控制核心的温度测量仪表。在实际应用中,该系统运行稳定、可靠,电路设计简单实用。
1 温度测量原理
热电阻温度传感器中的铂热电阻Pt100是一种正温度系数的敏电阻,根据电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性,只要测量出热电阻的阻值变化,就可以测量出温度值。该元件以其精度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等优点,成为工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件,而且经常被制成标准的基准仪表。它可以进行远距离电信号传输,但是需要电源激励,不能够瞬时测量温度的变化。铂热电阻的测温范围最大,为-200℃到850℃。可以用如下公式描述温度和电阻的关系:
其中:
RTDT为在温度T时候的RTD电阻值(Ω);
RTD0为在0℃时候RTD的电阻值(Ω),
T为RTD电阻的温度值(℃)。
目前热电阻的引线主要有三种方式:
二线制:在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫作二线制,如图1所示。这种引线方法比较简单,但由于连接导线必然存在引线电阻,引线电阻大小与导线的材质和长度因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。
三线制:在热电阻根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式叫作三线制,如图2所示。这种引线方式通常与电桥配套使用,可以很好地消除引线电阻带来的影响,在工业过程控制中最常用。
四线制:在热电阻根部两端各连接两根引线的方式叫作四线制,如图3所示,其中两根引线为热电阻提供恒定的电流,把电阻转换成电压信号,再通过另外两根引线把电压引至二次仪表。因为连接线是对称的,可以大幅度的抑制包括热电偶效应的影响,但是要求提供精确的1m A电流。
2 测量范围的确定
在一般的测温仪器中,因为微处理单元的能力限制,尽量将测温设计在传感器的线性范围内。一般在0℃到100℃的范围内,根据经典的公开资料,温度可以近似表示为如下:
然而随着科技的突飞猛进,热电阻的应用领域不断扩大,经典的线性范围存在很大的局限性。也许前几个小时,你还在温暖的海南岛,而几个小时后,就已在严寒的东北。据记载的历史天气记录,在我国,最冷的温度记录为1962年2月13日的-52.3℃,而最高温为吐鲁番2006年8月1日的47.7℃。生活中的沸水为100℃,极端低温并不常常低过-50℃。市场上,一般电子元件的可操作温度范围为-40℃。所以,从实用角度出发,我们将测温范围定为-40℃到150℃。如果用如上的公式,绘制在如图4所示的曲线图中。可以看到误差在绝大多数场合仍旧可以达到0.5%的精度。但是,这个误差带有些往上偏。
根据曲线分析,温度在-40℃到150℃的范围内时,R∈(84.270 652 03Ω,157.340 9Ω);δ=ΔR∈(-0.157 29,0.573 409)误差已经远远的大于5%的范围,对于电桥的输出为电压源S的电压,不可以再作线性近似。另外一个考虑的因素是,δ有负值,这在后续的信号处理上,要么加入参考信号,将信号变到正实数的范围,要么提供正负电源,以便在正负信号的情况下都能处理。这些都将加大设计的复杂程度。
如果将测量范围扩大,在整个测温范围内,误差可能更大。如图5所示,如果还用0℃到100℃的线性近似,在高温端,可能有10%的误差;在低温端,则可能会有将近25%的误差。在极端温度下,测温仪器还有更多因素需要考虑,在大的温度范围内,热电偶效应也不容忽略。文章从实用出发,不要求仪表的测量范围覆盖全温度,重点探索如何提高温度测量的精度,同时也能方便微处理器的实现,从而设计一款实用的温度测量仪表。
3 测量电路的设计
根据设计的温度测量范围,硬件上采用四线制的铂热电阻连接方式,这样可以有效地避开电桥的非直线型输出函数,同时也不用考虑负的输出信号的问题。设计中只需要考虑铂热电阻本身特性曲线的校正问题和激励电流的问题,如图6所示。
为了能使微处理器更好地实现温度测量数据的转换,对测量数据进行线性近似,同时为了满足精度,可以将测量范围分成多线段来满足要求。从而设计问题就转化为:给定误差,在实验数据拟合公式及误差带中,以合适的分段,进行线性近似。
研究公式(1)、(2)的二阶导数:
可以验证此二阶导数均是负数,所以原实验数据的拟合曲线在整个定义域内是凸的,如图7所示。
而且,在高温区相对来讲是最平缓的,可以指导设计方案在给定误差δ时,沿着误差带的高温端搜索。如图8所示,曲线只是示例,并不代表热电阻曲线。从开始构造直线,为了满足给定误差带的要求,因为曲线是凸的,所以指定与误差下限曲线相切,假设在此步骤中切于p1,p1处的斜率与直线相同,由公式(1)和(2)容易得到p1导数方程。这样由线段方程和导数方程求解可得p1点坐标,同时也定下了(t1,Res1)就是第二个端点坐标,迭代这个过程,找出所有点。实际求解时,要解方程,不是太方便,也并不高效。
再深入研究,先在上限曲线上定(t0,Res0),然后在下限曲线上,横坐标t0处向左扫描,设变量为点p,那么下限曲线在p点的斜率同样根据导数方程求得,而p点到(t0,Res0)的线段的斜率也容易求得,当这两个斜率误差小到一定程度,可以认为是相同的,那么也就求得了p1点。将变量改回到上限曲线上,继续扫描,比较动点p与切点p1构成的向量,与切点p1处的导数所指方向的差异,可以得到(t1,Res1)。这里有个扫描精度的问题,也许上一个温度点,两个斜率的误差为正,下一个温度点就为负。这样,有可能在斜率误差范围内,获得的点可能使线段上有的点位于下限曲线的下方。设计中应该要求宁可不切到下限曲线,也不可超出,从而在设计上避免引入设计误差。对于上限曲线上的扫描也是同样的要求。实际计算时,将二维的连线认为是z=0的三维向量,那么向量的叉乘的z方向可以表明两平面向量的夹角。在符号改变前,也就是设计中要找到符合要求的p1点与(t1,Res1)点。
这样,严格地在误差带内迭代这个过程,可以方便地求得给定温度区间(tl,th),误差为δ的所有近似线段端点序列。据此,可以通过编写一个工具软件来帮助完成这个过程。利用检查误差按钮,生成误差数据,使用Excel生成图形,如图9所示,可见误差很好地控制在±0.01%的范围内。
在测量电路满足精度要求的情况下,主控电路如图10所示,温度信号检测通过RTD温度传感器来检测,信号送到单片机进行处理,采用LCD液晶显示温度数据。
4 结语
文章所提出的实用的温度检测仪表设计,通过完善测温电路,达到测量的精度和广度。应用单片机进行数据处理,后续还可以通过把软件系统功能模块划分成多个任务,开发出相应的应用程序,使得软件编程结构清晰明了,升级可维护性好,系统实时性和可靠性有保证,温度智能仪表性价比高,能够实现系统、稳定、可靠地工作,达到减少开发风险、降低总成本和缩短上市周期的目的。为设计一款实用的温度检测仪表提供了一种新的思路。
摘要：文章描述了一种实用的温度检测仪表设计,此仪表包括模拟信号前端输入检测,发送到上位机以便后继处理。采用铂热电阻Pt100传感器进行由温度到电量的转换,该信号输入单片机处理后由液晶显示器显示测量温度。实测结果表明,系统可靠性、测试精度及温度趋势曲线绘制均达到设计要求。
关键词：Pt100,铂热电阻,单片机,温度测量仪表
参考文献
[1]张元良,修伟,郎庆阳.石油产品检测中Pt100温度传感器动补偿研究[J].大连理工大学学报,2010(3):351-355.
基于ARM温度检测系统设计 篇7
在生活、生产等领域中,传统靠人工对温度、湿度、液位等信号的检测系统,外围电路相对复杂,测量精度也较低,并且还需进行温度校准;外部设备体积较大、使用不够方便,更重要的是参数设定不能独立完成,且成本也比较高,已经越来越不能适应快速社会的要求。因此如何将微处理器与各种机器、设备结合起来,简化人工操作、实现自动化,成为一个很迫切的问题。为此设计该温度检测系统。
1 系统的主要功能及结构
1.1 系统主要功能
温度采集、显示:通过温度传感器DS18B20采集到不同环境下的温度值,传送到S3C2410的外部扩展端口将采集的温度数据加以处理,再通过SPI总线传送给数码管显示。
实时功能:通过S3C2410内部功能模块RTC,处理器通过读取BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、BCDMON和BCDYEAR寄存器中的值就能够完成显示时间功能,并将时间值送到数码管显示。
报警功能:当温度传感器DS18B20检测到的温度超过100℃时,通过报警指示灯的闪亮提示温度过高,已达到报警功能。
1.2 系统的结构
Samsung S3C2410X微处理器是三星公司专为应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案,它使用ARM920T核心,主频高达200MHz至260MHz.内部还集成了16 KB Cache、MMU虚拟存储器管理、外部存储器控制器、LCD控制器、2个SPI总线接口、4通道PWM定时器等,降低了系统总成本和减少了外围器件。
该结构采用的就是以高集成度的S3C2410处理器的控制系统,它主要进行温度采集、数据处理、显示、报警和远程通信(备用功能接口),完成所需要的温度采集系统。系统的总体结构图如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 RTC时钟电路
S3C2410X实时时钟(RTC)单元特性:
本设计中S3C2410实时时钟(RTC)单元是处理器集成的片内外设。由开发板上的后备电池供电,可以在系统电源关闭的情况下运行。RTC发送8位BCD码数据到CPU。BCD数据:秒、分、小时、星期、日期、月份和年份;闹钟(定时)功能:产生定时中断或激活系统;自动计算闰年;无2000年问题;独立的电源输入;支持毫秒级时间片中断,为RTOS提供时间基准。
读/写寄存器:访问RTC模块的寄存器,首先要设RTCCON的bit0为1。CPU通过读取RTC模块中寄存器BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、BCDMON和BCDYEAR的值,得到当前的相应时间值。然而,由于多个寄存器依次读出,所以有可能产生错误。比如:用户依次读取年(1989)、月(12)、日(31)、时(23)、分(59)、秒(59)。当秒数为1到59时,没有任何问题,但是,当秒数为0时,当前时间和日期就变成了1990年1月1日0时0分。这种情况下(秒数为0),用户应该重新读取年份到分钟的值。
后备电池:RTC单元可以使用后备电池通过管脚RTCVDD供电。当系统关闭电源以后,CPU和RTC的接口电路被阻断,后备电池只需要驱动晶振和BCD计数器,从而达到最小的功耗。
闹钟功能:RTC在指定的时间产生定时信号,包括CPU工作在正常模式和休眠(power down)模式
2.2 温度采集和温度越界报警设计
温度采集使用的是温度传感器DS18B20。使用集成芯片,能够有效的减小外界的干扰,提高测量的精度,简化电路的结构。由于DS18B20为单总线数字传感器,其外部温度采集电路只需提供一个上拉电阻就可以了。同时将DS18B20的DQ引脚接到S3C2410外部扩展端口的GPB5引脚,就能完成温度采集功能了。其电路连接如图2所示。
采集的温度经处理后通过外部扩展口3传输到S3C2410进行处理,当采集的温度超过规定温度上限时,S3C2410I/O口中的GPB0端口输出控制信号是蜂鸣器鸣叫,同事控制GPB2发光二极管,让二极管闪亮,已达到警示功能。具体电路连接如图3所示。
2.3 显示功能设计
本部分电路主要使用四位七段数码管和移位寄存器74HC595组成。S3C2410通过SPI0总线将要采集来的温度值传送到移位寄存器芯片74HC595寄存,再由移位寄存器输送给数码管的段码,再由SPI1总线将要数码管段选信号传送到另一片移位寄存器芯片74HC595寄存,再由移位寄存器输送给数码管位码,从而实现移位寄存点亮数码管显示。输送数据时间通过延时控制,调整延时程序的延时时间已达到静止显示效果。具体电路连线图如图4所示。
3 系统的软件设计
3.1 程序结构分析
主程序调用了6个子函数,分别是I/O端口初始化、ARM板初始化、SPI总线初始化、数码管显示、温度信号处理、超温报警。
ARM板初始化函数:实现SS3C2410 CPU初始化和串口显示函数的程序。I/O端口初始化函数:实现SS3C2410 I/O端口初始化的程序。SPI总线初始化函数:实现对SPI总线的初始化包括预分频,控制寄存器配置。数码管显示函数:调用SPI总线发送数据子函数。温度信号处理函数:对温度芯片送过来的数据进行处理,保存采集的温度值。超温报警函数:实现当温度过高时,对GPB0口发送报警信号。程序结构图如图5所示
3.2 主程序流程图
主程序开始先设置初始化,包括S3C2410处理器、I/O端口、SPI总线初始化,然后程序自动检测实验板是否正常,如果正常则检验SPI总线是否正常工作,如果SPI总线也正常则开始读取温度值,如果两者有一个不正常,程序则重复检测。当检测板子正常,程序从DS18B20读取温度值,并通过外部引脚3将温度值传送到CPU并对检测出来的温度值进行处理将温度值分散成一位数形式,处理完的数据通过SPI0总线传给四位7段数码管的段码位,通过SPI总线来控制数码管的位码,同时控制延时时间以保证显示的正常。报警程序则是当采集来的温度值超过规定值时,S3C2410 CPU则将报警信号送到指定的GPB0口,同时让GPB2连接的指示灯闪亮。接着程序回到检测板子是否正常的程序主程序入口。主要程序流程图如图6所示。
4 结束语
本系统完成了温度采集系统的设计,同时保留了通信接口,以便日后的升级和扩展(实现远程通信和温度参数显示与控制功能)。采用的控制核心为S3C2410,具有低价格、低功耗、高性能等特点,主频高达200MHz至260MHz,其提供了丰富的内部设备,减少了外围器件,使系统更加简洁方便。
参考文献
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