传感器-矿用温度传感器设计(编辑修改稿)

传感器-矿用温度传感器设计(编辑修改稿)内容摘要：

应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等，单片机技术的开发和应用水平已逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。 目前，单片机的生产公司都在努力单片机的性能，如不断地提高时钟频率，可提高 CPU执行速度；精简指令、多级流水线操作方式可提高指令的执行速度、扩大寻址能力；不断地扩大数据存储器容量， EEPROM 和闪存容量可达 64Kbytes。 在结构上细致化、智能化、密切化，增加片内功能，尽量减少外部接口芯片，提供与主机的接口，降低单片机的功耗，提高宽电源的适应能力，增 加高噪声容限，并具有更好的电磁兼容性。 面向应用对象的多功能多品种的增强型单片机将大大增加。 硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面。 本章主要论述该系统的硬件电路设计。 本系统在硬件电路设计时，主要从以下原则出发 : 1．硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。 2．可靠性及抗干扰设计。 根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线路。 3．灵活的功能升级及系统扩展。 一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级；并且，在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。 根据系统要求及上面 矿用温度传感器系统框图 ，确定系统硬件原理图。 系统以单片微机 AT89C51为中央处理单元，由温 度传感 元件 、 A/D 转换电路 、数字显示、声光报警、等单元电路组成。 系统框图 5 本设计系统的框图如图 21所示。 图 2— 1 矿用温度传感器系统框图 矿用温度传感器经过热电偶将测得的温度值通过信号转换输入到控制器（单片机）中，微控制器将采集到的温度值处理，获得高精度的测量结果，送 LED 数码管显示，同时计算出对应的频率信号，输出给监控系统的工作站，上传给监控主机。 总体方案的选定 就硬件而言，系统选用的设计电路和应用器件，不仅要考虑满足功能要求， 还应考虑产品的应用环境，留有一定的设计余量，以满足可靠性要求。 对软件来说，应尽可能预防可能发生的故障，采用模块化设计方案，以利于程序的编制和调试，减少 故障率，提高软件的可靠性。 本文详细论述了近年来我国煤矿安全生产监测监控系统 中主要的温度传感器的原理、特点及软件设计。 温度传感器的软件设计采用模块化结构设计 ,主要包括主程序、子程序和中断服务程序 ,方便了程序的调试、连接和扩展。 主程序主要完成系统自检、初始化及功能模块子程序调用等功能 ,而功能模块子程序则对系统各项功能进行具体实现。 系统设计可以扩展为根据矿井具体情况的不同来设置阈值、显示保持时间 ,并通过特定的设计使此温度传感器能适应于不同的矿井 ,满足不同安全管理操作方便的需要。 第 3 章 各单元电路元件的设 计 温度传感器 温度是表征物体冷热程度的物理量。 在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及热电偶 信号转换 AT89C51 单片机 红外遥控电路 电源电路 LED 显示 信号输出电路 声光报警 6 控制始终占据着重要位置。 温度传感器应用范围之广，使用数量之大，也高居各类传感器之首。 目前，温度传感器正向着单片集成化、智能化、网络化和单片系统化的方向发展。 人们研究温度测量的历史已经相当久远，所使用的传感器也种类繁多。 近百年来，传感器的发展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；模拟集成温度传感器 /控制器；智能温度传感器（即数字式温度传感器）。 传统的热电偶、热电阻、 热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温度传感器，传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。 此类传感器通常要配温度变送器，以获得标准的迷你两（电压或电流）输出信号。 其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精确度较低、分辨力不高、需进行温度校准，另外它们的体积较大、使用也不够方便。 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。 模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC，它属于最简单的一种集成温度传感器。 其主要特点 是功能单一、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温，不需要警醒非线性校准。 外围电路简单。 智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在 20 世纪 90 年代中期问世的。 智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。 智能温度传感器具有以下三个显著特点：第一。 能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（ MCU）；第二，能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统；第三、它是在硬件 的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。 智能温度传感器内部都包含温度传感器、 A/D 转换器、存储器（或寄存器）和接口电路。 鉴于文章介绍的主要方向，以下主要说明分立式温度传感器中的热电偶传感器。 热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体 A和 B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为 T，称为工作端或热端，另一端温度为 T0，称为自由端 (也称参考端 )或冷端，则回路中就有电流产生，如图 31 所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。 这种由于温度不同 而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处 7 便吸收或放出热量 (取决于电流的方向 )，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量 (取决于电流相对于温度梯度的方向 )，称为汤姆逊效应。 两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。 热电偶的热电势 EAB(T， T0)是由接触电势和温差电势合成的。 接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。 图 31 热电偶工作原理 图 温差电势是指同一导体或半导体在 温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。 无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。 当回路断开时，在断开处 a， b 之间便有一电动势差△ V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图 21(b)所示。 并规定在冷端，当电流由 A流向 B时，称 A为正极， B 为负极。 实验表明，当△ V 很小时，△ V与△ T 成正比关系。 定义△ V 对△ T 的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。 塞贝克系数的符号和 大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 目前，国际电工委员会（ IEC）推荐了 8 种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、 E型、 J 型、 K型、 N型、 B 型、 R型和 S 型。 热电偶的使用 ，只需考虑两端温度值，而不必顾及其中间段的温度。 ，通常采用补偿导线将贵金属热电偶的冷端延伸至温度稳定处。 但补偿导线 a、 b在 Tn到 T0 的温度范围内，应分别与贵金属 A、 B具有相同的热电特性。 其热电偶使用如图 32所示。 8 图 32 热电偶使用图 常用热 电偶 10 — 铂热电偶 由直径 5mm 的纯铂丝和相同直径的铂铑丝制成，用符号 LB 表示。 铂铑丝为正极，纯铂丝为负极。 这种热电偶可在 1300℃一下范围内长期使用，短期可测 1600℃高温。 由于容易得到高纯度的铂和铂铑，故 LB 热电偶的复现精度和测量准确性高，但 LB热电偶的材料为贵金属，成本高。 — 镍硅热电偶 镍铬为正极，镍硅为负极，热偶丝直径为 ～ ，符号用 EU 表示。 EU热电偶化学稳定性较高，测量范围为 50— +1312℃。 其复现性好，产生热电 动式大，线性好，价格便宜，是工业生产中最常用的一种热电偶。 — 锰白铜热电偶 它由镍铬材料与镍、铜合金材料组成，符号为 EA。 热偶丝直径为 ～ 2mm，镍铬为正极，锰白铜为负极。 它适用于还原性或中性介质。 EA 热电偶灵敏度高，价格便宜，但测温范围窄而低。 5 — 钨铼 20 热电偶 它是非标准化热电偶，钨铼 5 作正极，钨铼 20 作负极，一般使用在超高温场合。 国产钨铼 5 — 钨铼 20 热电偶使用温度范围为 300～ 2020℃精度达177。 1％。 可在氢气中连续使用 100h，真空中使用 8h，性能稳定在177。 1％以内。 钨铼系热电偶是一种较好的超高温热电偶，其最高使用温度受绝缘材料的限制，一般可达 2400℃，在真空中用裸丝测量时可用到更高的温度。 热电偶误差参数如表 31所示。 表 3— 1 热电偶误差参数 热电偶的允差（参考端为 0℃） 分度号 允差 /温度范围 （℃ ） Ⅰ级 Ⅱ级 S 177。 1/0～ 1100 177。 ～ 600 9 R 177。 [1+(t1100)]/1100～ 1600 177。 %t/600～ 1600 B / 177。 %t/600～ 1700 K N 177。 ～ 375 177。 ～ 333 177。 %t/375～ 1000 177。 %t/333～ 1200 E 177。 ～ 375 177。 ～ 333 177。 %t/375～ 800 177。 %t/333～ 900 J 177。 ～ 375 177。 ～ 333 177。 %t/375～ 750 177。 %t/333～ 750 T 177。 ～ 125 177。 1/40～ 133 177。 %t/125～ 250 177。 %t/133～ 350 WRe 177。 1%t AT89C51单片机 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可 擦除只读存储器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器， 俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51单片机的主要特性 AT89C51 单片机与 MCS51 单片内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。 并且引入了 Flash 与 80C51 内核相结合技术。 使 AT89C51 单片机优良的工作性能、使用的灵活性以及较高的性能价格比，在实际中得到了广泛的应用。 其主要特性为： MCS51系列单片机完全 兼容 ； 4K 字节 的 可编程闪烁存储器 ； 1000 次 写 /擦循环 ，寿命长； 为 10年 ； 作时的频率为 0Hz～ 24MHz； 10 8位内部 RAM 可编程 I/O 线 16 位定时器 /计数器 个中断源 道 A/D 转换电路及其芯片 经过温度传感元件放大后的电压信号。