自然景观第七章智能温度传感器设计

第7章 智能型温度测量仪 智能型温度测量仪智能型温度测量仪 1 智能型温度测量仪的原理智能型温度测量仪的原理 2 智能型温度测量仪的电路结构及特点智能型温度测量仪的电路结构及特点 3 软件结构和程序框图软件结构和程序框图 4 典型智能型温度测量仪实例典型智能型温度测量仪实例 思考题与习题思考题与习题 第7章 智能型温度测量仪 1 智能型温度测量仪的原理智能型温度测量仪的原理 1.11.1智能型温度测量仪的基本功能智能型温度测量仪的基本功能1)自动零点调整及满度的校正由于智能化的仪器仪表通常都有自动零点调整和仪表满度的校正，因此可以减小测量误差，同时可实现一表多用。智能型温度测量仪可配不同类型、不同分度号的温度传感器，故又称为温度万用表。2)自动修正各类测量误差智能型温度测量仪能实现对测量传感器（例如热电偶）的冷端自动补偿和非线性补偿，以及对热电阻的引线电阻影响的消除等，还可实现各类测量误差的自动修正。第7章 智能型温度测量仪 3)数据的处理和通信智能型温度测量仪可进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），对获取的温度信息进行整理和加工；统计分析干扰信号特性，采用适当的数字滤波，达到抑制干扰的目的；实现各种控制规律，满足不同控制系统的需求；与其他仪器和微机进行数据通信，构成各种计算机控制系统等。第7章 智能型温度测量仪 4)多种输出形式智能型温度测量仪的输出形式可以有数字显示、打印记录、声光报警，还可以多点巡回检测。它既可输出模拟量，也可输出数字量（开关量）信号。5)自诊断和断电保护智能型温度测量仪对仪表内部各种故障能自动诊断出来，并能进行故障显示或报警。断电时，仪表内的切换电路自动接上备用电池，以保持储存的数据。第7章 智能型温度测量仪 1.21.2智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪的基本结构与工作流程智能型温度测量仪与其他智能化仪器一样，也是由硬件和软件两大部分组成的。1.1.硬件结构硬件结构 智能型温度测量仪的硬件部分由单片机主机电路、过程输入输出通道、键盘（人机联系部件）、接口和显示打印部分组成，如图1所示。第7章 智能型温度测量仪 图 1 智能型温度测量仪的硬件组成框图 模拟量模拟量输入电路单片机主机电路模拟量输出电路输出模拟量信号开关量输出电路输出开关量信号通信接口通信数据显示打印键盘开关量开关量输入电路第7章 智能型温度测量仪 2.2.系统软件系统软件智能型温度测量仪的系统软件主要由监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块等组成。监控程序用于接受和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行；中断处理程序是用于人机联系或输入产生中断请求以后转去执行并及时完成实时处理任务的程序；软件的功能模块用来实现仪器的数据处理和各种控制功能。第7章 智能型温度测量仪 3.3.工作流程工作流程 智能型温度测量仪的工作流程如图2所示。由温度传感器进入的模拟信号（直流电势或电阻）经过输入信号处理，即经过交换、放大、整形和补偿后，由A/D转换成数字量。此数字信号通过接口送入缓冲寄存器以保存输入数据。微处理器CPU对输入的数据进行加工处理、分析、计算后，将运算结果存入读写存储器中。与此同时，将数据显示和打印出来；也可将输出的开关量经D/A 转换成模拟量输出，或者利用串、并行标准接口实现数据通信。整机工作过程是在系统软件控制下进行的。工作程序编制好后写入只读存储器中，通过键盘可将必要的参数和命令存入读写存储器中。第7章 智能型温度测量仪 图 2 智能型温度测量仪的工作流程 输入信号处理模拟量A/DI/O输入缓冲器键盘RAMCPU输出缓冲器开关量输出D/A模拟量输出并行或并行I/O通信数据打印显示重复上述工作第7章 智能型温度测量仪 2 智能型温度测量仪的电路结构及特点智能型温度测量仪的电路结构及特点 2.1 2.1 主机电路主机电路1）MCS-51系列单片机的结构与特点 MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器。片内的RAM和ROM空间都比较大，RAM可达256字节，ROM可达48 KB。由于片内ROM空间大，因此BASIC语言等都可固化在单片机内。现在的MCS-51系列单片机已有许多品种，其中较为典型的是8031、8051和8751三种。第7章 智能型温度测量仪 8031型单片机片内无ROM，应用时必须外接EPROM才可使用；8051型片内具有4 KB字节的掩膜ROM；而8751型片内则具有4 KB字节的紫外线可擦除电可编程的EPROM。这三种芯片的引脚兼容，从而把开发问题减小到最低限度，并提供最高的灵活性。8751最适用于开发样机，以及小批量生产和需要现场进一步完善的场合；8051适用于低成本，大批量生产的场合；8031则适用于能方便灵活地在现场进行修改和更新程序存储器的场合。第7章 智能型温度测量仪 MCS-51系列单片机指令系统提供了七种寻址方式，可寻址64 KB字节的程序存储器空间和64 KB字节的数据存储器空间；共有111条指令，其中包括乘除指令和位操作指令；中断源有5个（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级都是可编程的；在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在MCS-51系列单片机内部，还有1个由直接可寻址位组成的布尔处理机，即位处理机。指令系统中的位处理指令专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理，特别适用于位线控制和解决各种逻辑问题。第7章 智能型温度测量仪 MCS-51 简化结构框图与逻辑符号如图3所示。图中信号端子的意义如下：XTAL1、XTAL2：内部振荡电路的输入输出端。RESET：复位信号输入端。EA：内外程序存储器选择端。当EA为高电平时，访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部存储器。ALE：地址锁存信号输出端。PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端。第7章 智能型温度测量仪 P0P3：四个8位I/O端口，用来输入输出数据。P3口中还包括了一些控制信号线。MCS-51系列单片机存储容量较小，许多情况下需要外接EPROM。此时，P0、P2口作为地址/数据总线口。关于MCS-51系列单片机的详细内容可查阅有关参考资料。第7章 智能型温度测量仪 图 3 MCS-51单片机结构框图与逻辑符号(a)结构框图；(b)逻辑符号 RAMP0P1SFAP2P3ROM/EPROMCPU(a)(b)XTAL1XTAL2P0RESETP1P2P35 VALEEAPSEN第7章 智能型温度测量仪 2）主机电路 图 4 用8031单片机等构成的主机电路 74LS3738031XTAL1XTAL2P2.7RESETP2.45 VALEEAP2.3&2.32.7PP2.32.7PPP2.0GE2764CEOED0D7A0A7A8A12PSENRDWR 6116()CEOED0D7A0A7A8A10WE 6116()CEOED0D7A0A7A8A10WEP2.0P2.38155ADTinToutPC0PC7PC0PB7PA0PA7RESE ALEWRRDCEP2.7P2.0M/IOP2.0P0.7P0.0第7章 智能型温度测量仪 2.2 2.2 温度检测电路温度检测电路 温度是一个很重要的物理参数，也是一个非电量，自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品的生产过程中，温度的测量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。因此，温度的测量是一个具有重要意义的技术领域，在国民经济各个领域中都受到相当的重视。常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等。由于各种温度传感器工作原理不同，因此有不同的应用检测电路。第7章 智能型温度测量仪 电阻温度传感器的主要优点是：（1）测量精度高，对非温度量不敏感；（2）有较大的测量范围，灵敏度高；（3）线性度好，便于自动测量。第7章 智能型温度测量仪 图 5 单电桥测温电路原理图 R3I2BDU0RWR2I1R1R4IR(t)E1WR2WR第7章 智能型温度测量仪 在进行电路设计时,一般是已知传感器的温度特性,根据测温环境确定电桥平衡方式、激励源选择、电压灵敏度、放大与引线电阻补偿等。现以铂电阻温度传感器为例，说明单电桥电路设计与应用的简单方法。假设已知某铂电阻温度特性如图6所示。t=0时，R(t)=100;t=200时，R(t)=150;则R=0.25/。设通过R(t)的电流小于2 mA，测温距离为100 m，要求U0=100 mV。第7章 智能型温度测量仪 图6 单电桥测温电路原理图0100150100200R(t)/t/第7章 智能型温度测量仪 1）电桥结构的选择 如图5所示，电桥采用等臂电桥，选择R1=R2=R3=R4，铂电阻R(t)M2，满量程输出相同。启动时，1传感器先投入使用，2传感器处于过载保护，用软件识别确认量程，再置标志位，选取M1或M2。第7章 智能型温度测量仪 4.4.标度变换标度变换把A/D转换后的数字量的数码转换成有量纲的数值的过程称为标度变换。标度变换的形式为 y=1x+0 上式中，y为温度测量值；1为比例系数；0为取决于零位值的常数。例如，某智能型数字测温仪的测量范围是-1001500，当ymin-100时，对应的A/D转换值为Nmin=0；当ymax=1500时，对应的A/D转换值为Nmax=1600。此时，y=x-100;1=1;0=-100 第7章 智能型温度测量仪 5.5.其他控制算法其他控制算法 微机化温度仪表的控制功能主要依靠控制算法来实现，它克服了传统仪表控制规律单一、使用面较窄的不足。而且，在同一仪表中可配制多种控制算法，应用于不同的系统。在微机化温度仪表中的控制算法很多，除数字PID控制算法外，还有前馈、纯滞后、非线性、解耦、自适应、智能控制、模糊控制算法等。第7章 智能型温度测量仪 4 典型智能型温度测量仪实例典型智能型温度测量仪实例 4.1智能型温度巡检仪智能型温度巡检仪 1.1.概述概述温度测量仪通常分为两种类型。一种是以工业生产设备或生产过程为检测对象，以状态监视为目的的温度巡检仪。它能进行多点温度巡回检测，一般对精度要求不高。另一种是用于计量、标定或实验研究，在保证一定外部条件的前提下，能对单一测量进行高精度的温度测量的单点温度测量仪。智能温度巡检仪是一种可进行多点温度测量，在-200850测量范围内，测量精度优于0.5的仪表。第7章 智能型温度测量仪 2.2.智能型温度巡检仪的硬件电路结构智能型温度巡检仪的硬件电路结构该温度巡检仪的硬件电路由温度传感器、预处理电路和8031单片机系统等几部分组成，其结构框图如图26所示。1)温度传感器温度传感器采用Pt100铂热电阻，它可以对-200850的温度进行检测。由于硬件电路保证使流过铂热电阻上的电流为一恒定值，因此当温度变化时，热电阻上的电压亦随着变化。根据一定的对应关系即可求得温度值。第7章 智能型温度测量仪 图26 温度巡检仪结构框图打印机接口RS-232接口存储器键盘/显示8031单片机控制接口A/D转换预处理电路温度传感器第7章 智能型温度测量仪 2)预处理电路预处理电路是决定测量精确度的关键。铂热电阻温度传感器精度高、性能稳定，但其内阻较低，引线电阻易造成较大的测量误差。为消除引线电阻造成的误差，仪表的预处理电路采用三线制，以恒流源驱动。其电路如图27所示，包括三触点的继电器、可控恒流源、差动放大器、程控放大器等。第7章 智能型温度测量仪 图27中，Rth为铂热电阻，r1、r2、r3为引线电阻（当采用完全相同的导线作Rth的引线时，可使r1r2r3=r），A2为增益等于2的同相比例放大器；A3为增益等于1的差动放大器，运放A1和达林顿管Q组成了一个可控的恒流源电路，其电流为I。测量时，继电器每次只接通一个铂热电阻，若继电器Sn吸合，则它的三个触点Sn-1、Sn-2和Sn-3同时导通，铂热电阻Rth接入预处理电路。设引线电阻为r，则比例放大器A2的输入为I(r+R)，输出为2I（r+R）。差动放大器A3同相输入为I（Rth+2rR）,输出为U=I（Rth-R）。第7章 智能型温度测量仪 图27 预处理电路原理图5 VA3A1Sn1Sn2Sn3Qr1r2Rthr3A2RR1R2程控放大器UREF至A/DI第7章 智能型温度测量仪 若R=100（在0时，输出电压u=0 V），则 UI（Rth-100）可见，输出电压u仅与恒流源I和铂热电阻Rth有关，从而消除了引线电阻所带来的误差。由于铂热电阻的灵敏度（欧姆/度）随着温度的升高而逐渐下降，从而造成了输出电压u的非线性。为了补偿这个非线性，在硬件电路中采取了将输出电压u经电阻R1反馈到放大器A1同相输入端，以便能适当调节恒流源地电流I，从而使输出电压u得到线性补偿，提高测量精度。此外，还可以采取下列措施提高仪表的测量精度。第7章 智能型温度测量仪（1）减小零漂的硬件措施。零漂（零位漂移）是温漂和时漂的总和。正常情况下，当输入信号为零时，经过传感器、放大器和单片机接口电路在内的整个测量部分的输出应为零。但由于零漂的存在，零输入信号时，输出不为零，此时的输出值实际上就是系统测量部分的零位漂移值。若采用传统的硬件方法克服零漂，则线路复杂，对元器件要求严格且成本高，尤其在环境恶劣的场合，其效果不能尽如人意。但采用单片机控制后，就可以利用单片机强大的软件功能，只需用最少的硬件配以相应的处理软件，就可使上述问题迎刃而解。图28为实现自动校零部分的原理框图。图中S1、S2为电子开关，由单片机接口的P1.0、P1.1控制。正常工作时，P1.0输出为“1”电平，S1闭合；P1.1输出为“0”电平，S2打开。第7章 智能型温度测量仪 图 28 自动校零原理框图 单 片 机P1.0P1.1P1.2DB0DB7A/D转换器放大器S2S1测量输出第7章 智能型温度测量仪 零位补偿原理就是每次测量前，先将输入短路（P1.1输出为“1”电平，P1.0输出为“0”电平），测出零漂值，将其存放在单片机的某一存储单元内保存起来，然后再测量检测电路的输出（置P1.1为“0”，P1.0为“1”），此测量值减去零漂值就得到了真实的输出量。程控放大器把差动放大器A3输出的电压信号放大至适当值，以便于A/D转换器进行数据采集。第7章 智能型温度测量仪（2）选择适当的A/D转换器与采取分段补偿。通常，在条件许可的情况下可选择分辨率和转换速度较高的器件，这是提高测量精度的一个重要措施。就A/D转换器的分辨率而言，不同的A/D器件在供电电压为5 V时，其差别见表1。第7章 智能型温度测量仪 表表1 不同的不同的A/D器件的分辨率器件的分辨率 第7章 智能型温度测量仪 由上表可见，当A/D转换器位数增加时，其分辨率提高了，因而测量精度也提高了。此外，A/D转换器在理想情况下对应输入电压值的转换值应在同一直线上。实际上，有些转换点偏离直线，即存在着相对误差。以A/D转换器0809为例，在23.5 V时线性较好，而在02 V、3.55 V时，相对误差分别为1和-1。根据它与理想直线的偏差，可在软件上采取分段补偿的措施，以提高A/D转换器的相对精度。第7章 智能型温度测量仪 3)8031单片机系统8031单片机系统可实现对仪表的监控管理，多路温度的测量、储存、打印及与PC机的通信等。由此可见，这是本仪表的核心部件，其结构如图29所示。第7章 智能型温度测量仪 图 29 8031单片机系统结构框图 827913825键盘75451LED6R0R3B0B3A0A306IRQ8031138276462643737135244RS232接口控制接口TxDRxDGNDINT1P3.5P1P0P28155打印机第7章 智能型温度测量仪 3.3.智能型温度巡检仪的软件设计智能型温度巡检仪的软件设计 智能型温度巡检仪的软件设计包括监控管理程序、A/D转换程序、数据处理程序、打印程序以及与PC机通信的串行口中断服务子程序，这些程序均采用模块化结构。为了便于该仪表与PC机组成分布式的测温系统，仪表的串行口中断设置为优先级最高的中断，具有实时性，其主程序流程如图30所示。第7章 智能型温度测量仪 图 30 主程序流程图 置状态字初值开始温度存入内存显示被测通道及温度与PC机通信？N更新数据通信状态字数据通信处理打印？N更新打印机状态字打印处理巡检？YN更新巡检状态字巡检处理程序更新定检状态字定检处理程序YY第7章 智能型温度测量仪 中断服务子程序及其他程序框图略。为了提高仪表的测量精度，特别是在对输入量的处理上，除了在硬件上给予考虑外，在智能仪表中的软件设计也非常重要。我们知道，被测对象的温度是一个随时间t连续变化的模拟量，而这个非电物理量又必须通过传感器变换成电信号，再通过输入通道送给单片机进行分析、处理。在这一过程中，我们总是希望信号的传递是不失真的，但是实际上不可能完全做到，也就是说总是存在一些非线性的误差，因而设计中要加以考虑。具体方法如下：第7章 智能型温度测量仪 图31 热电阻的阻值温度转换关系图 0T1R1R2T2T3R3R/T/第7章 智能型温度测量仪(2)采取软件滤波法，消除干扰影响。由于仪表使用的现场环境条件往往不甚理想，因而输入到A/D转换器的信号常常会窜入各种各样的干扰信号。这些干扰信号主要有三种类型：工频及其谐波、白噪声和脉冲干扰。这些干扰信号将造成很大的测量误差，必须加以滤除。通常，硬件措施是在采样输入回路中采用滤波电路以滤除干扰信号。如果采用双T滤波电路，则可以有效地抑制工频干扰，但是会使硬件结构复杂；而如果采用软件滤波的方法，则可以较好地解决这一问题，而且大多数智能仪表都采用软件滤波的技术。第7章 智能型温度测量仪 软件滤波的方法有很多，对于白噪声，可用数字滤波技术加以去除；而脉冲干扰可通过多次采样中去除最大值和最小值后，再求取平均值去掉，即去极值平均滤波法；对于工频产生的干扰亦应加以重视，因为有时它会成为主要干扰因素。实践证明，要有效地抑制工频干扰，必须满足两个条件：每组采集数据必须进行两次，然后作算术平均处理；保证两次采集间隔时间为T/2（T为工频周期）。假设有用信号比工频变化慢得多，如图32所示。第7章 智能型温度测量仪 图32 工频干扰示意图 t0t1t2U2U0U1eeU第7章 智能型温度测量仪 U0为输入到A/D转换器的有用信号电压，U1是在干扰叠加情况下t1时刻的瞬时电压值，U2是在t2时刻的瞬时电压值。当取：U1=U0e,U2U0-e,212Ttt则 0002122UeUeUUUU由此可见，满足上述两个条件后就可滤除工频影响，获得有用的信号。另外，如前所述的A/D转换器的非线性补偿亦是用软件的方法实现的。总之，智能仪表设计中要采用软、硬件结合的方式来提高仪表的性能，这样才能达到性能价格比，使设计最优。第7章 智能型温度测量仪 4.4.仪表的应用情况仪表的应用情况采取上述软、硬件设计方法后，可以有效地提高仪表的测量精度。本仪表经过测试，其测量精度优于0.5。当然，在实际设计过程中，还要考虑许多其他的因素，如信号输入端的良好接地问题、印刷电路板的合理布线问题以及系统运行的可靠性问题等。综上所述，我们可以看出：在智能仪表的设计中，由于采用了单片机技术，使得硬件电路大大简化，而其软件的强大功能又使仪表的性能得到了明显提高，功能的扩展也变得十分方便。加上通信功能后，其检测、控制方式也十分灵活、便捷。因此，仪器、仪表的智能化、可通信化是一个发展方向。第7章 智能型温度测量仪 4.2 温度测量仪使用、温度测量仪使用、维护后的检定维护后的检定 1.1.标准仪器标准仪器 温度测量仪的检定是利用标准仪器实现的。检定所选用的标准仪器依据微小误差取舍准则，即标准仪器的基本误差相对于被检仪表基本可视为微小误差。具体地讲，标准仪器的基本误差一般为被检仪表的基本误差的1/31/10。用于配热电偶温度测量仪检定的标准仪器如表2所示。第7章 智能型温度测量仪 表表2用于配热电偶温度测量仪检定的标准仪器用于配热电偶温度测量仪检定的标准仪器 第7章 智能型温度测量仪 表表3 3 用于配热电阻温度测量仪检定的标准仪器用于配热电阻温度测量仪检定的标准仪器 第7章 智能型温度测量仪 2.2.检定条件检定条件各类温度测量仪的检定要求为：环境温度为20t（数显仪表t为2，其他仪表t为5）；相对湿度不大于85%，其中动圈仪表和数显仪表不大于75%。电源电压变化不超过额定电压的10%；频率不超过额定频率的1%。除地磁场外，周围不存在影响仪表正常检定的磁场。第7章 智能型温度测量仪 3.3.检定方法检定方法 示值检定前，对各类温度测量仪均应作外观检查。仪表外观应符合检定规程的要求。虽然各类温度测量仪的构造原理不同，但示值检定的基本方法类似。一般步骤是：（1）先进行外观检查，然后按要求正确接线。（2）在接线正确的情况下接通仪表电源，按生产厂家规定的时间预热。如果没有明确规定，一般预热15分钟。具有参考端温度自动补偿的仪表可预热30分钟。（3）对具有“调零”及“调满度”的仪表，允许在预热后进行预调，但在检定过程中不允许再调。第7章 智能型温度测量仪（4）检定点的选择不应少于5个点，一般应选择包括上、下限在内的原则上均匀的整十摄氏度点或整百摄氏度点。（5）在调零位后，由标准仪器发出检定点的信号值，读取仪表示值，按正行程检完各点，然后再反行程检定各点。计算各点误差，与仪表的准确度等级和量程所确定的允差相比较，得出仪表示值是否合格的结论。第7章 智能型温度测量仪 4.4.绝缘电阻的测定绝缘电阻的测定温度测量仪的绝缘电阻是使仪表安全可靠地工作的保证。绝缘电阻采用额定直流电压为500 V的兆欧表测定。绝缘电阻测量包括三部分，即（1）测量线路与地之间；（2）电气线路与测量线路之间；（3）仪表电气线路与地之间。温度测量仪对各部分绝缘电阻的要求见表4。第7章 智能型温度测量仪 表表4 温度测量仪对绝缘电阻的要求温度测量仪对绝缘电阻的要求 第7章 智能型温度测量仪 5.5.其他注意事项其他注意事项温度测量仪检定的其他注意事项：（1）温度测量仪在外观检查符合技术要求的条件下，才能进行各项检定。（2）检定项目除基本误差之外，温度测量仪还要对外观、显示能力、稳定度、分辨率、绝缘电阻等方面进行检定。具体检定时，请参照国家有关智能型温度测量仪器仪表的检定规程。第7章 智能型温度测量仪 思考题与习题思考题与习题 1.智能型温度测量仪通常应具有哪些功能？2.智能型温度测量仪一般由哪几部分组成？各部分的作用是什么？3.模拟量输入通道包括哪些部分？4.模拟量输出通道包括哪些部分？5.标度变换的目的是什么？有哪几种方法？6.为什么要进行非线性补偿？非线性补偿有哪三种方式？7.编码式键盘与非编码式键盘有何区别？键盘管理程序的任务是什么？8.如何抑制工频干扰？9.在温度检测电路中，为什么要对引线电阻进行补偿？如何进行补偿？10.智能型温度测量仪的检定要注意哪些事项？