电冰箱检测线温度传感器校验平台设计

电冰箱检测线温度传感器校验平台设计 测线温度传感器校验平台设计 Platformfor Sensor Checking DesignTemperature P Line of Detection Refrigerator 厶 I睁 2011年3月 J 委 员： 船乙砂茂劳2 卜、他镜鸠言 导 沈之砝葭 学位论文作者签字玛竭罩签字日期少?1年牛月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g里：!：些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁工些叁 兰L可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权二伟 学位论文者签名： 鸸海旱 导师签 t 签字日期加I1年年月易日 签字日期年锄乡日 y， f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 和环境 温度的 数字量，无须变送电路和AD转换器，使用极其方便，已被电冰箱生产厂家广 泛采用。 为标准温度值，校验温度传感器是否合格。由于Ptl00温度测量存在系统误差、 随机误差和粗大误差。为消除系统误差，设计了恒流三线制Ptl00温度转换电 路；由于Ptl00的电阻和温度之间不是完全的线性关系，采用线性插值算法对 非线性进行补偿。采用算术平均值法消除随机误差。分别使用格罗布斯准则和 去极值法消除粗大误差，并对两种方法进行了优劣比较，得出使用格罗布斯准 则消除粗大误差，要比去极值法效果更理想。 本系统以P89LPC935为核心，设计了校验平台的硬件和软件。为方便使用， 采用VisualC+60设计了上位机校验结果显示界面。 关键词：DSl8820；Ptl00；温度传感器；检验 Platformfor Checking Design Sensor Temperature of DetectionLine Refrigerator ABSTRACT To whetherthe judge is is refrigeratorqualified，it tomeasure necessary the of temperatures chilling andoutletof chamber,freezingchamber,inletcompressor andcircumstance inthe of DS1 producing 8820 refrigeratorThe obtains directly data digitalof does correspondingtemperature，whichnotneed transmissioncircuit andAD converterThusits hadbeen extremelyconvenient，and used widelybVm锄V manufacturers refrigerator This aDS18820 paper designed sensor temperature checking measured Ptl00 by worksasthestandardtocheckthe seasorswhetller temperature Ptl00 qualifiedThe has measuringsystem error systemerror,randomand gross errorTo removethe grosserror，the constantcurrent systemadopts sourceand threewireforPt100 convert temperaturecircuitBecauseof no linear complete between relationshipthePt1 and 00temperature thelinear resistance，using to interpolation the algorithm nonlinearTo compensate removetherandom eITor the arithmeticvalue methodis average usedToremove the Grubbs grosserror,the criterionand deextremum methodare two usedBy methodsanda comparing conclusionisdrawnthat theGrubbs criterionisbetter than deextrenlummethodto removeerror gross In the P89LPC935as system，taken thecoreis t11ehaldware designed andsoRware of forthe checkingplatform，and thesual C+60to convenient，using desi舯display interfaceforcheckresult 1 l 8820；Pt Keywords：DS sensor；check 00；temperature 本人在两年多的硕士研究生学习期间和撰写学位论文过程中，自始至终得 到导师鲁照权教授的悉心指导和热情关怀。鲁老师严谨求实的治学作风，诲人 不倦的师者风范，宽厚坦诚的待人之道，对教育事业的无私奉献，无时不感染 着我，使我受益匪浅。在此，谨向鲁老师致以最衷心的感谢。 感谢实验室的兄弟姐妹们，他们是郑国俊、余波、毛羽、陈芹、赵伟、凌 虎等等。大家在一起讨论问题，分享思路，创造了一个良好的学术气氛，使我 得到很多帮助。 同时感谢我的两位室友宋刚和郑群，他们在我论文写作期间给了我很多建 议和帮助。在此，祝他们前程似锦、事业有成。 最后感谢我的家人，他们在我的生活和学习上给予了无限的关心和帮助。 感谢所有关心：帮助、支持我的人。 作者：彭海军 2011年3月16日 目 录 第一章 绪 论1 11 课题背景”1 111 电冰箱发展过程?l 112 世界电冰箱的发展历史?1 113 中国电冰箱的发展历史1 114 电冰箱技术未来的发展特点2 115 电冰箱检测线工作原理一2 116温度传感器探头3 12 研究开发温度传感器校验平台的意义?3 13 本文的主要工作一4 第二章 温度传感器校验平台系统结构5 21 温度传感器校验平台设计方案5 22温度传感器校验平台系统结构5 221 Ptl00标准温度测量5 2211 Ptl00基本知识?5 2212Ptl 00测温原理7 2213 Ptl00测温的非线性补偿9 222 8820一9 数字温度传感器DSl 2221 DS18820的特点?9 2222DSl8820的存储器10 2223 2224DSl 8820的存储器操作命令”11 2225DSl8820的操作时序一11 2226DSl8820的温度换算”14 2227 223 P89LPC935系统组成一15 2231 P89LPC935概j苤15 2232 串口通信?17 2233存储芯片18 2234数码管显示”19 2235P89LPC935系统其它部分一21 ?23 ?24 ?24 ?24 ?24 ?25 ?25 322 系统误差一28 323 粗大误差29 33 小结?36 第四章 上位机软件设计37 41 串口通信基本知识37 42 串口通信实现39 43上位机设计?42 44 小结?43 第五章 实验结果”44 51 Ptl00标准温度测量结果“44 52 温度传感器校验平台校验结果一49 53 小结?53 第六章 总结与展望54 61 论文总结?54 62 后续的工作展望”54 参考文献”56 攻读硕士学位期间发表的论文59 插图清单 21温度传感器校验系统框图”5 22Ptl00电阻一温度关系曲线：?6 23Ptl00测温框图?7 24Ptl00三种接线方式7 25Ptl00恒流三线制测温原理图8 图26DSl8820初始化时序?12 图27DSl8820写时序一13 图28DSl8820读时序?13 图29DS1 5 图210 图211 232电平转换电路原理图18 图212单片机与存储芯片连接图19 图213数码管显示电路”20 图214继电器控制电路?21 图215按键电路21 图216电源电路21 图217系统实物图一23 图31准确度、精密度和精确度25 图32运用算术平均值消除随机误差软件流程图?26 图33去极值法消除粗大误差软件流程图一30 图3430准则软件流程图31 图35罗曼诺夫斯基准则软件流程图32 图3-6格罗布斯准则软件流程图一34 图37狄克松准则软件流程图36 图41上位机显示界面”43 图51当t 20时，温度传感器校验平台校验结果?50 图52当t 10时，温度传感器校验平台校验结果一50 图53当t 0时，温度传感器校验平台校验结果?51 图54当t 10时，温度传感器校验平台校验结果51 图55当t 20时，温度传感器校验平台校验结果5l 图5-6当t 30时，温度传感器校验平台校验结果一52 图57当t 40。C时，温度传感器校验平台校验结果：52 58当t 50。C时，温度传感器校验平台校验结果52 表格清单 21Ptl00分度表?6 2-2DSl 8820温度存储方式14 23P89LPC935IO口数目?16 2：4P89LPC935 IO口配置方式17 2-574LSl64真值表?20 3-1 t分布检验系数K n，0c 32 32格罗布斯准则临界值表?33 3-3 狄克松准则临界值表35 5-1当t-20时，Ptl00测量的温度所对应的电阻值?44 52当忙10时，Ptl00测量的温度所对应的电阻值?45 表53当t 0时，Ptl00测量的温度所对应的电阻值46 表54 表55当t 20时，Ptl00测量的温度所对应的电阻值?47 表5-6 表57当t 40时，Ptl00测量的温度所对应的电阻值“48 表58 第一章 绪 论 课题背景 电冰箱发展过程 自然界有冬天和夏天之分，由于冬夏的存在，于是就有冷和热的关系，冷 是同一范畴的物理概念。自然界的气候变化使物体变冷的过程，这种是天 争 然制冷。使用一定的设备，在一定的时间和空间内，以消耗一定的外界功为代 价，将低温物体的热量向高温物体传递，从而获得低温，这种是人工制冷。 利用深井水和天然冰可以降低温度，在很久以前就已经被人们使用。早在 三千多年前的周朝，我国就已经有了“冰窖”，就是所谓的“凌阴。冬天人们 把自然冰贮藏在那里，到了夏天再取出来用于冰镇酒类或冷藏肉类等。这种方 法很快被传到国外，并得到发展和应用，到了1820年，人工制冷试验首次获得 成功，并把冰放在具有隔热的箱子里，就成了现代电冰箱制冷的萌芽。 112 世界电冰箱的发展历史 世界上第一台电冰箱是在1914年由美国卡尔维纳特公司首次制成并投放 市场。在1918年，该公司的工程师EJ科伯兰德制造了第一台家用电冰箱。当 时这种电冰箱采用水冷压缩机和木制外壳，并采用海藻和锯末作为绝热材料， 噪声大、价格贵，结构很不完善。1921年，美国弗里吉德尔公司制造出第一台 压缩机置于箱体内部的电冰箱，1926年，该公司又用钢板制成冰箱外壳，大大 延长了电冰箱使用寿命。之后，美国通用电气公司发明用氟里昂作为新的电冰 箱制冷剂。 到1944年，美国已有45家电冰箱生产厂家，年产电冰箱125万台。在相 当长的一段时间内，美国的电冰箱生产在世界上一直处于领先地位。二次大战 以后，德、意、英、法、日等国家先后借鉴美国的电冰箱制造技术，很快就形 成了本国的生产体系。特别是在60年代以后，这些国家的电冰箱产业发展十分 迅速，产量大幅度上升。到1971年，世界电冰箱年产量已达到2888万台。之 后，电冰箱生产开始向高度集中化、专业化、广泛协作化、生产技术现代化发 展，电冰箱产品开始进一步向塑料化、电子化、自动化发展。 扣 11-3中国电冰箱的发展历史 ， 中国电冰箱的发展历史较短。解放前，仅几个大城市能对进口电冰箱进行 维修。解放后，电冰箱维修逐渐成为一批骨干企业。那时家用电冰箱很少，一 般是社会集团、医疗单位使用。我国的第一台电冰箱是在1954年，由沈阳医疗 、 器械厂生产，为开启式200L单门电冰箱。1956年开始，沈阳医疗器械厂、天 津医疗器械厂、北京医疗器械厂 北京电冰箱厂前身 都具备了电冰箱的生产能 力，并采用了封闭式压缩机。到1977年，24年累计产量为15万台，平均年产 6千台。1978年以来，随着人民生活水平的不断提高，消费观点逐步由“必需 型向“享受型”转变，电冰箱开始进入家庭，为我国电冰箱产业的蓬勃发展 国100多个电冰箱生产厂家，除了轻工业系统外，有兵器工业部、电子工业部、 航天工业部、机械工业部、医疗器械总公司、船舶部公司所属的厂。近二十年 我国电冰箱产量增长较快，已由l978年的25万台发展到l984年的537万台， 台。自此，电冰箱行业在中国一直处于快速发展阶段，经过近20年的发展，中 国电冰箱产量已占世界总产量16的份额，位居全球首位。目前电冰箱在国内 市场已进入成熟期，市场运行的基本特征是相对平稳，不会出现需求上的大起 大落。现在很多知名的电冰箱企业，比如海尔、美的、美菱等，已经开始向海 外市场进军，力争扩大市场份额【l】。 114 电冰箱技术未来的发展特点 电冰箱制冷工业经过多年发展，已成为成熟的工业体系，它作为日常消费 品的生产部门，一方面有着广阔的市场，另一方面又面临着激烈的竞争。随着 科学技术的发展和电子技术的广泛应用，电冰箱的种类和功能不断增加，实用 性和自动化程度不断提高，能耗不断降低，正朝着更加实用、方便、节能、美 观的方向发展。电冰箱产品的发展特点有： 1积极采用电子技术，促进产品更新换代。 2大量采用塑料和各种新材料。 3向超静音发展。 4由抗菌保鲜向无菌保质发展。 5向全“绿色发展”。 6向品种多、规格齐全、多种容量、多门多温、多功能方向发展。 7使用更加方便，更加注重产品的实用性【21。 115 电冰箱检测线工作原理 生产好的电冰箱在进行包装前必须进行严格的测试，需要让其试运行几十 分钟甚至数小时，同时检测电冰箱的各个参数，以判断电冰箱是否合格。在国 内，虽然生产电冰箱的企业众多，生产的品种和样式也越来越多，但是，这些 企业所用电冰箱检测线工作原理都是大同小异的。电冰箱在进入检测线后，每 台电冰箱会附带一个移动检测模块。首先进行登录，把电冰箱的基本信息，如 序列号等，传送给固定在这一端的接受模块，一般通过红外传送数据，再由接 受模块把每台电冰箱的信息传送给PC机。之后电冰箱进入导轨，通电工作。 2 在此期间，移动检测模块会检测电冰箱的各个参数，包括电冰箱冷藏室、冷冻 室、压缩机进气口、出气口和环境温度，以及压缩机功率等参数，因此需要温 度传感器来测量这些点的温度。当电冰箱随导轨传送到检测线另一端，移动检 测模块把测量到的数据通过红外传送给接收模块，最后由接受模块把数据传送 给PC机，至此完成一台电冰箱的检测。 116温度传感器探头 由电冰箱检测线工作原理可以看出，每台电冰箱附带的移动检测模块，至 少需要56个温度传感器，用来测量电冰箱各个点的温度。一般在一条电冰箱 检测线上，少则使用数百只温度传感器，多则使用数千只温度传感器。为方便 温度测量，一般都将温度传感器做成温度探头。早期的用于制冷性能测试的探 检测转换电路与AD转换器，使得电冰箱检测线的制造与维护成本很高，因而 没有被电冰箱制造企业广泛应用。DSl8820的问世给电冰箱检测线上数千点温 度检测提供了极其方便的途径，DSl8820直接输出相应温度的数字量，无须转 换电路与AD转换器，使用极其方便，已被电冰箱生产厂家广泛采用。 DSl 可得到实际温度值；如果测得的温度低于0，高5位为1，将低11Alff_取反加1后 再乘00625即可得到实际温度值。 用DSl8820做成的温度探头具有以下特点： 1DSl8820温度探头是单总线连接方式。它只有三个管脚：电源线、信 号线、接地线，安装时共用电源线和接地线，信号线共同接入测温模块，有利 于现场安装。 2全数字温度转换和输出，不需要检测电路和AD转换器，大大减少成本。 3测量范围广，55+125。电冰箱在长时间工作后，内部温度可以达到 零下30多度，要测量此温度，选用DSl8820完全可以满足要求。 12 研究开发温度传感器校验平台的意义 一个企业最重要的就是产品的质量，只有严格保证产品的质量，企业才会 有旺盛的生命力，才会有更好的发展，电冰箱企业也是如此。所以，电冰箱在 进行包装前必须进行严格的性能检测，以保证产品的质量。要保证电冰箱产品 的质量，首先就必须保证温度传感器探头是合格的，即保证DSl8820的测量偏 差不能大于士O5。如果连温度传感器都是不合格的，那又怎么能检测电冰箱 的好坏呢。所以，就迫切需要这样一个校验平台，用它来校验温度传感器是否 3 合格。正是在这种情况下，设计了这样一个温度传感器校验平台，来解决这个 问题，具有非常好的市场前景。温度传感器校验平台必须具备判断准确、耗时 间少以及使用方便等特点。 13本文的主要工作 本文针对数字式温度传感器DSl8820设计了温度传感器校验平台，全部工 作包括以下几个方面的内容： 1DSl 8820温度的测量。为了提高校验平台的工作效率，要求一次性可以 换。DSl8820是单总线数字式温度传感器，对读写数据位有着十分严格的时序 要求，需要严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。由于本设 计选用的单片机在硬件上不支持单总线协议，故采用软件模拟单总线协议，以 完成对DSl8820的读写操作。 温度，其它待校验的温度传感器DSl8820测量到的温度值都要和此值进行比 较，以确定温度传感器是否合格。在Ptl00标准温度测量过程中，要想使此值 尽量精确，就要消除测量误差。本文从测量误差的分类、起因、消除方法等方 面进行了较为详细的研究，并运用到系统设计中。由于Ptl00的电阻和温度之 间不是完全的线性关系，本设计采用线性插值算法对非线性进行补偿，以提高 测量精度。 C+60设计上位机软件，用 3上位机软件设计。本系统中，采用Visual Visual 计的上位机软件使用方便，校验结果一目了然。 4设计一个完整的温度传感器校验平台系统，包括系统的硬件和软件，并 最终做出样机。 4 第二章 温度传感器校验平台系统结构 电冰箱冷冻室的温度一般会低于20，压缩机排气口温度可高达60，为 了保证检测线上数千只温度传感器测量偏差不大于士O5，必须对DSl8820至 少在30+60C温度范围内进行校验筛选。 21 温度传感器校验平台设计方案 温度传感器校验平台由酒精恒温槽与温度传感器校验系统构成。酒精恒温 槽模拟不同的被测温度，为系统提供一个合适的环境温度。温度传感器校验系 微控制器，集成了很多系统级的功能部件，这样可以大大减少元器件的数目和 电路板的面积，并降低整个系统的成本。Ptl00测温电路为整个校验平台提供 标准温度值，此温度值要尽量精确，使测量误差减少到最小。DSl8820为各个 待校验温度传感器，本系统一次可以检测16个DSl8820，提高系统工作效率。 继电器接口用来控制酒精槽制冷、制热工作，为传感器模拟30+60C范围的工 作温度。显示部分采用七位数码管，用来显示标准温度值、待校验温度传感器 的测量值、二者偏差等数据。存储芯片主要用来保存P89LPC935测量到的各种 C+60设 数据，一般选用12C口串行存储芯片。串口通信，通过采用Visual 计上位机，用来显示各个测量数据和校验结果，使人一目了然。设计若干个按 键，用来实现系统的模式选择、开始、停止等功能。 Ptl00 7 譬刊苎竺l 1测温电路I ：匣 DS18个B2，。 P89LPC935 ： ：j存储芯片 继电器 接口 ： ：|串口通信 图21温度传感器校验系统框图 22 温度传感器校验平台系统结构 221 Ptl00标准温度测量 2211 Ptl00基本知识 由于传统的温度传感器响应慢、精度低、可靠性差，已不能适应现代工业 的发展，伴随着传感器技术和电子测量技术的迅速发展，以单片机为主的嵌入 式系统得到了广泛的应用。目前在工业生产现场应用最广泛的温度传感器是热 电偶和热电阻，其中，铂热电阻Ptl00就是应用最为广泛的温度传感器之一。 5 墨 R1+彳，+研2】 22 在200650C温度范围内，Ptl00的电阻一温度关系的线性度非常好，已经 非常接近于直线，它的电阻一温度关系曲线如图22所示。 o JI 600 500 400 300 200 100 O ； 100 一1002一oo币 200 图22Ptl00电阻一温度关系曲线 表21Ptl00分度表 温度 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 电阻值Q 30 8822 8783 8743 8704 8664 8625 8585 8546 8506 8467 20 9216 9177 9137 9098 9059 9019 8980 8940 890l 8862 10 9609 9569 9530 9491 9452 9412 9375 9334 9295 9255 O 10000996l 9922 9883 9844 9804 9765 9726 9687 9648 O 10000100391007810117101561019510234102731031210351 lO 10390104291046810507105461058510624106631070210740 20 1077910818108571089610935109731lO12110511109011128 30 11167112061124511283113221136l113991143811477115。15 40 11554115931163l1167011708117471178511824 ll862 1190l 50 11940119781201612055120931213212170122091224712286 12362124Ol124391247712516 60 12324 12554125921263112669 6 Ptl 00的电阻与温度的具体对应关系可以由Ptl00分度表来表示。本系统 中，需要检测的环境温度为3060。C，这个温度范围内的Ptl00分度表可以由 表21所示【4-51。 2212Ptl00测温原理 Ptl00是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量电阻，温度的变化引 起电阻的变化，将电阻的变化转换成电压信号，经放大后，再将模拟电压信号 转换成数字信号，最后由单片机换算成相应的温度。Ptl00测温框图如图23 所示。 图2-3Ptl00测温框图 Ptl00铂热电阻的使用，一般有三种接法，分别是二线制接法、三线制接 法和四线制接法，如图24所示， 匠一蝰