多点温度测量123 - 图文

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-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。

非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。

由于本课题的任务要求测量的范围为0℃～400℃，测量的分辨率为±0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从－200℃～＋650℃。具体的分度特性表见附录Ⅱ所示。 ⑵CPU的选择

用微型计算机渗透到测试领域并得到充分发挥，是现代测试技术发展的必然趋势，也是目前作为智能仪表的设计的一般方法，目前市场上的单

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片机从数据总线宽度上来分主要有8位机、16位机、32位机，其中的32位单片机近年来在信号分析与处理、语音处理、数字图象处理等数字信号处理运用领域得到广泛的运用，但在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机，对本课题涉及的高精度多路温度的测量，运用单片机的主要目的是构成一个具有一定判断、运算能力以及具有存储、显示、通信等功能的智能测量仪表，它所处理的信息量和复杂程度由于是温度因而用8位机已经足够了。目前，生产单片机的厂商有很多，尤其是近年来微电子技术、计算机技术的飞速发展，比较著名的有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Zilog、Atmel等半导体企业。

在上述著名的半导体企业产品中，尤其在工业测控场合，运用较多的为Intel公司的MCS-51系列，Microchip公司的PIC系列，近年来，随着Intel公司对8031内核的公开以及各半导体企业在关键技术上的相互渗透，不仅Intel公司，而且Philips公司、Atmel公司等企业目前都生产MCS-51系列的CPU。近十年来在工业测控领域，国内运用最多的恐怕是Atmel公司的AT89系列，它的标准型产品不仅在指令上，而且在管脚上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一代CPU8031，并在片内存储器、振荡电路、功耗、软件加密以及内置看门狗等技术水平上均有很大程度的提高，使国内的智能仪表行业的设计与开发者越来越感到使用和设计上的方便。根据我们学生掌握的程度，本设计最终选用ATMEL最新的8位单片机AT89S52作为本系统的CPU。

下面简单地介绍一下89S52的特性：与MCS-51产品兼容，包括引脚；8K字节可编程闪速程序存储器，寿命：1000写/擦循环；全静态工作：0～33MHz；3级程序存储器加密锁定；256×8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；8个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式，从掉电模式中断恢复；看门狗定时器；双数据指针；断电标志等。

⑶A/D转换器的选择

在智能仪表中，对一般的模拟信号处理为能被计算机所接受的数字信号，无外乎以下两种方式，要么A/D转换，要么V/F转换，对于在工业上

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对现场的信号需要远距离传送的信号，我们经常采用频率信号传输，但在本设计课题，我们用最常用的A/D转换作为我们模拟信号变换成数字信号的基本思路。

对于A/D转换来说，最重要的2个技术指标是转换的速度以及转换的精度。由于本系统的分辨率指标为0.1℃，而测量的温度范围为0～400℃，因此必须采用12位以上的A/D转换器，对于速度，由于测量的物理量是温度，因此一般的都能满足，常用的12位以上的A/D 转换器有ICL7135、AD574、TLC2543等，ICL7135、AD574由于与CPU的接口是并行接口，因此，相对结构复杂，在短时间的比赛中，考虑工艺的问题而不宜采用，而且AD574的价格也相对较贵，这里，我们选择结构简单的串行输出的TLC2543作为A/D转换器件，TLC2543是带串行控制和11个输入端的12位开关电容逐次逼近模数转换器，具有片内采样－保持功能，转换结束标志引脚指示转换的完成。器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点，在整个温度范围内具有较小的转换误差。当然在我们的设计中，每个检测器只有一路温度测量，因此只用TLC2543的一路输入即可，在多通道的测量场合，该芯片同样适用！具体的引脚关系等见本报告的后面的原理图。

这里值得注意的是，为提高本系统的测量精度，该芯片的参考电压的必

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图三 A/D转换原理图

须稳定，因此，不能将它接在普通的＋5V电源上，而是通过精密的基准电压源LM336－5.0V来实现，考虑该器件输出的结果必须小于电源电压，同时考虑多个检测器工作的一致性，因此，设计时将它接成在小范围内可调的方式，这里，我们将LM336－5.0的输出结果调整在4.900V。具体的A/D转换原理图见上图三所示。 ⑷信号调理电路的选择

调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中A/D转换器能识别的信号，作为本系统，由于温度传感器是热电阻PT100，因此调理电路完成的怎样将与温度有关的电阻信号变换成能被A/D转换器接受的电压信号。

恒流源电路的设计

由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。上述两种电路的结构形式见下图四所示。

图四 两种信号获取电路的结构

根据测试技术的有关知识，图A的输出与电阻的阻值不是个正比的关系，因而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非线性的问

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