一種多通道環境溫度采集系統的設計

　　1、引言
　　
　　溫度是工業生產中常見的和zui基本的參數之一，在生產過程中常需對溫度進行檢測和監控。采用微型機進行溫度檢測、數字顯示、信息存儲及實時控制，對于提高生產效率和產品質量、節約能源等都有重要的作用。考慮到許多工業環境中對多點溫度進行監控，一般需要測量幾十個點以上，為此，我們研制了一種采用AT89C52單片機進行控制的多通道溫度檢測系統。
　　
　　2、硬件的總體設計
　　
　　本系統由溫度采集電路、單片機、按鍵、顯示、數據存儲等部分組成，成對溫度信號的采集、處理、存儲，控制系統的工作的功能。原理框圖1所示。　　　　
　　3、溫度采集電路的設計與分析
　　
　　3.1傳感器的選擇
　　
　　在選擇溫度傳感器時，應考慮的主要因素有溫度測量范圍、精度、響應時間、穩定性、線性度和靈敏度。目前，應用zui廣泛的溫度傳感器是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和PN結型溫度傳感器。
　　
　　熱電偶由兩種不同的金屬構成，它們的一端熔接在一起形成一個敏感結，溫度變化時將有一個相應的熱電勢產生，使用熱電偶測量溫度時容易引入誤差（冷端誤差）。熱電阻傳感器電阻值隨溫度增加而增加，zui常見的構成材料是鉑、鎳或銅，其線性度好，但價格較高，阻值小，連入測量電路中須考慮引線電阻影響。PN結型溫度傳感器利用了在一定的電流模式下，PN結的正向電壓與溫度之間有很好的線性關系這一特征，測溫精度高。
　　
　　熱敏電阻由鈷、錳、鎳等金屬的氧化物以不同配方高溫燒結而成，包括正溫度系數熱敏電阻（PTC），負溫度系數熱敏電阻（NTC）和在某一特定溫度下電阻值會發生突變的臨界溫度電阻器（CTR），在溫度測量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC應用較多。熱敏電阻的阻值隨溫度變化而迅速變化，且阻值較大，如應用于野外測量，幾十歐的引線電阻對測量影響較小，可忽略不計，非常適合測量微弱溫度變化。但是非線性嚴重，使用時必須進行線性化處理。由于本系統測量點多，考慮價格等多種因素，選用NTC型熱敏電阻較為合適。
　　
　　3.2測溫電路的組成
　　
　　選用珠狀熱敏電阻，外面套銅殼，中間灌導熱沙，用膠封口連線使用。溫度電壓轉換電路由不平衡電橋實現，放大電路采用LF347四運放芯片，構成差分放大電路，將電橋輸出電壓轉換為對地電壓。采用八選一的模擬開關CD4051，三個地址選擇引腳，兩片組成8×8矩陣，可連接64路溫度傳感器。CD4051電子開關閉合時漏泄電流很低，導通時導通電阻也比較低，當輸入參考電壓±5V，導通電阻在160歐姆左右，輸入電壓正負都可以工作，效果比較理想。整體電路圖如圖2所示，其中zui左側兩個端子用于連接熱敏電阻，電橋中的電位器用于調平電橋，對地電壓輸出后至zui右端可接A/D轉換器。　　　　
　　3.3A/D轉換部分、顯示器件和存儲設備
　　
　　A/D轉換芯片選用美國德州儀器公司的12位串行A/D轉換器TLC2543，具有11路模擬輸入通道，在工作范圍內10us的轉換時間，三路內置自測試方式，zui大線性誤差±1LSB，單雙極性輸出，具備可編程的輸出數據長度和MSB、LSB前導。性能價格比合適，轉換精度較高，因此適用于各種儀器儀表之中。
　　
　　由于需要顯示漢字，例如“XX號空氣溫度XX.X”，字體采用16×16點陣形式，顯示器件采用192×64點陣字符型液晶顯示模塊，電壓較低，功耗比較小，電路連接簡單，控制語句只有七條，便于單片機編程。
　　
　　存儲設備選用RAMTRON公司生產的鐵電存儲器FM3164，一種集成了存儲器、實時時鐘、看門狗定時器、低電壓提前報警、手動復位去抖等許多單片機伺服電路，64KB的數據存儲解決了許多問題。鐵電存儲器采用了*的存儲技術，使擦寫次數超過了1億次，使用壽命長，為存儲實時采集數據提供了方便。溫度信號包括數據2字節，通道號1字節，月、日、時、分數據4字節，每天1小時采集一次，1個月總共30×24小時，1個月共需要存儲量（64×3+4）×30×24/1024≈130KB，鐵電存儲器空間不夠時，可再擴展一片AT29C040海量存儲器512KB，可轉存兩個月的數據。系統簡圖如圖3所示。　　　　
　　3.4測溫元件的溫度特性分析與線性化處理
　　
　　熱敏電阻的阻值與溫度的關系可用以下公式表示：　　
　　可見αT是隨溫度的降低迅速增大，因此適用于本系統中測量相對較低溫度。
　　
　　熱敏電阻的線性化方法有很多種，分為硬件線性化方法和軟件線性化方法。硬件線性化方法采用串并聯電阻的方法對熱敏電阻進行線性化，軟件線性化方法可采用查表法讀取溫度值。串并聯電阻可在某一溫度區間（如0℃～50℃）獲得較好的線性化效果。
　　
　　以串聯電路為例，由圖4可列出串聯電路分壓的電路方程：　　
　　并聯電路經推導得出的電阻值表達式與（7）式相同。由上式得到的并聯電阻值與熱敏電阻并聯，得到的并聯電阻值，從阻值與溫度曲線可看出，在常用溫度測量區間（0℃～50℃）左右，熱敏電阻的阻值的線性化程度有了明顯的改善，如圖5所示。
　　
　　只采用硬件的處理并不能較為理想地解決線性化的問題，必須采用軟件方法進行線性化補償校正，并聯電阻后使曲線較為平坦，但相鄰溫度（1℃）之間的電阻差值變小，再連入電橋后相鄰溫度之間的電壓差值變小，從而會影響測量溫度的分辨率。因此，直接將熱敏電阻連入電橋中，平衡溫度為25℃（電阻10KΩ），將熱敏電阻放入恒溫浴槽中，改變溫度值測定電壓值，多次測量選擇較為理想的數據，溫度—電壓數據表格和曲線如表1、圖6所示。
　　
　　由圖可以看出，在常用溫度范圍內（0℃～40℃），溫度與電壓之間的線性關系較好，相鄰溫度（1℃）之間電壓差值為40mv左右。處理數據可采用多項式擬合的方法，得出溫度與電壓之間的函數關系式。本系統采用查表的方法，在測量范圍內，以1℃為間隔，將所測量的數據列表存儲在ROM中。若測量溫度在兩個電壓數據之間，則采用逐次插值的方法，先計算相鄰兩點之間的斜率，再根據兩點之間的直線方程計算溫度值，由公式8得出，溫度采集的程序流程如圖7所示。　　
　　為了進一步減小測量誤差，可采用平均值濾波方法，即反復測量某一通道的電壓值，得到多個數據取平均值，再由上述方法得到溫度值。由于測量精度限制，顯示結果到小數點后一位，為軟件計算補償值。
　　
　　4、結束語
　　
　　本多通道溫度采集系統實用性強，能夠很好地巡回采集測量多路信號，結構較為簡單，成本低，外接元件少。在實際應用中工作性能穩定，測量溫度準確，精度較高。系統在硬件設計上充分考慮到了可擴展性，經過一定的添加或改造，很容易增加功能，如從單片機主芯片串行口連接RS232轉換芯片MAX232與PC機相連，完成溫度實時數據的傳遞和其他控制工作。適用范圍廣泛，可以單獨使用作為監控儀，應用于農業溫室大棚監測植物生長的環境變化，工業廠房測量各部分的工作溫度等等。也可以作為智能控制系統的一部分，與其它設備協同工作。系統移植性強，只需改變前端測量用的傳感器類型，可在此基礎上修改為其他非電量參數的測量系統。