一种多通道环境温度采集系统的设计

1、引言

    温度是工业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。考虑到许多工业环境中对多点温度进行监控，一般需要测量几十个点以上，为此，我们研制了一种采用 AT89C52单片机进行控制的多通道温度检测系统。

2、硬件的总体设计

    本系统由温度采集电路、单片机、按键、显示、数据存储等部分组成，成对温度信号的采集、处理、存储，控制系统的工作的功能。原理框图1所示。

图1 系统硬件原理框图

3、 温度采集电路的设计与分析
3.1 传感器的选择

    在选择温度传感器时，应考虑的主要因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。目前，应用最广泛的温度传感器是热电偶、热电阻、热敏电阻和PN结型温度传感器。

    热电偶由两种不同的金属构成，它们的一端熔接在一起形成一个敏感结，温度变化时将有一个相应的热电势产生，使用热电偶测量温度时容易引入误差（冷端误差）。热电阻传感器电阻值随温度增加而增加，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影响。PN结型温度传感器利用了在一定的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间有很好的线性关系这一特征，测温精度高。

    热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成，包括正温度系数热敏电阻（PTC），负温度系数热敏电阻（NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR），在温度测量中主要采用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 应用较多。热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，且阻值较大，如应用于野外测量，几十欧的引线电阻对测量影响较小，可忽略不计，非常适合测量微弱温度变化。但是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。由于本系统测量点多，考虑价格等多种因素，选用NTC型热敏电阻较为合适。

3.2 测温电路的组成

    选用珠状热敏电阻，外面套铜壳，中间灌导热沙，用胶封口连线使用。温度电压转换电路由不平衡电桥实现，放大电路采用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。采用八选一的模拟开关CD4051，三个地址选择引脚，两片组成8×8矩阵，可连接64路温度传感器。CD4051电子开关闭合时漏泄电流很低，导通时导通电阻也比较低，当输入参考电压±5V，导通电阻在160欧姆左右，输入电压正负都可以工作，效果比较理想。整体电路图如图2所示，其中最左侧两个端子用于连接热敏电阻，电桥中的电位器用于调平电桥，对地电压输出后至最右端可接A/D转换器。

图2 温度测量电路

3.3  A/D转换部分、显示器件和存储设备

    A/D转换芯片选用美国德州仪器公司的12位串行A/D转换器TLC2543，具有11路模拟输入通道，在工作范围内10us的转换时间，三路内置自测试方式，最大线性误差±1LSB，单双极性输出，具备可编程的输出数据长度和MSB、LSB前导。性能价格比合适，转换精度较高，因此适用于各种仪器仪表之中。

    由于需要显示汉字，例如“XX号空气温度XX.X”，字体采用16×16点阵形式，显示器件采用192×64点阵字符型液晶显示模块，电压较低，功耗比较小，电路连接简单，控制语句只有七条，便于单片机编程。

    存储设备选用RAMTRON公司生产的铁电存储器FM3164，一种集成了存储器、实时时钟、看门狗定时器、低电压提前报警、手动复位去抖等许多单片机伺服电路，64KB的数据存储解决了许多问题。铁电存储器采用了先进的存储技术，使擦写次数超过了1亿次，使用寿命长，为存储实时采集数据提供了方便。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1小时采集一次，1个月总共30×24小时，1个月共需要存储量(64×3+4)× 30×24/1024≈130KB，铁电存储器空间不够时，可再扩展一片AT29C040海量存储器512KB，可转存两个月的数据。系统简图如图3所示。[page]

图3 温度采集系统简图

3.4 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αT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。

    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4可列出串联电路分压的电路方程：

      （3）

    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，如图5所示。

    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，温度—电压数据表格和曲线如表1、图6所示。

    由图可以看出，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，温度采集的程序流程如图7所示。[page]

                    （8）

参考文献：
[1] 李道华，李玲，朱艳. 传感器电路分析与设计. 武汉大学出版社，2003.3
[2] 何鹏，袁琪，丁春欣. 传感器在温室大棚环境控制中的应用. 计算机与农业. 2002年第7 期.
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[6] 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩. 单片机的C语言应用程序设计. 北京航空航天大学出版社. 2003.11