多方式温度测量系统

多方式温度测量系统（精选十篇）

多方式温度测量系统 篇1

目前市场中大多数温度测量工具的测量范围、测量方式及测量精度在出厂时就已经固定。它们的测量方式单一、测量范围固定、传感方式也只能适应一定的场合。因此不能很好地适用一些多测量方式及测量范围的场合。还有数据采集卡的数据存储已经固化,遇到一些有特殊要求的场合就不能适用。本文采用现场可编程门阵列FPGA对数据进行处理,VHDL程序能够在线修改,该多方式温度测量系统具有极强的可塑性,可以适时地对其程序及查表数据库进行改进和更新,使系统的性能得到升级,可以使系统满足不同场合的需求。

1 多方式温度测量系统硬件设计

多方式温度测量系统采用PN结(IN4007)、热电阻(PT100)、热电偶(镍锘-镍硅K型)三种方式的温度传感器进行温度测量,PN结(IN4007)接到单臂直流电桥(非平衡)上,电桥的输出接到放大器上(放大100倍),再通过多路模拟开关接到12位模/数转换器;热电阻(PT100)以三线制方式接到直流电桥上,电桥的输出接到放大器上(放大70倍),再通过多路模拟开关接到12位模/数转换器;热电偶(镍铬-镍硅K型)接到冷端补偿器(自制电桥的四个桥臂都为1 Ω电阻,其中三个桥臂绕锰铜丝,一个绕铜丝)上,其输出接到放大器(放大200倍)上,再通过多路模拟开关接到12位模/数转换器。这样三种传感器的输出最终转换为0～10 V的电压量,满足了12位模/数转换器的转换要求。转换后的数据送给FPGA,再经FPGA进行数据处理及显示输出。多方式温度测量系统硬件框图如图1所示。

1.1 PT100热电阻测温原理硬件电路

由于PT100热电阻随温度变化产生的是一个电阻信号,当温度升高时电阻值增大。因此必须将热电阻接成单臂直流电桥,将其阻值变化转换为电压变化信号。再将这个电压信号放大到0～10 V范围送A/D转换电路。电路图如图2所示。

1.2 12位模/数转换器ADC1674

该多方式温度测量系统为了满足测量精度的要求,采用了12位A/D转换器,单极性输入方式。从而可以使温度精确到小数点后第2位。电路原理图如图3所示。

1.3 单片机控制电路(AT89C51)

为了减轻FPGA的程序负担,其外围控制电路用单片机给予控制。单片机控制着多路模拟开关(CD4051)和分度表存储器(2716)以及FPGA,从而使得FPGA控制不同方式测量数据的处理及温度显示输出。电路原理图如图4所示。

1.4 FPGA可编程门阵列

该多方式温度测量系统采用FPGA可编程门阵列对经过A/D转换后的数据进行处理,经内部查表比较或计算得出温度数据,然后译码输出温度值。电路原理图如图5所示。

2 多方式温度测量系统软件设计

多方式温度测量系统软件分为单片机程序设计和FPGA程序设计单片机程序采用汇编语言编写,实现对外围电路的控制;FPGA采用VHDL语言编写,实现对数据的处理及温度显示输出。

2.1 单片机控制

单片机控制源程序如下:

2.2 FPGA数据处理

热电偶或热电阻测量方式中FPGA依次查找对应分度表的数据与A/D转换的数据进行比较计算,最终得出其温度值。程序流程图略。PN结测量方式中FPGA根据PN结的温度电压变化函数(温度每升高1 ℃,PN结正向导通压降减小1 mV),对数据进行计算,从而得出对应的温度值;程序流程图如图6所示。

3 结 语

从系统设计到调试,测量系统对信号与电路稳定性有很高的要求。开始由于忽略了稳定性使得系统输出显示很不稳定。最后将测量转换电路与系统处理电路分开,才使得问题得以改善。该温度测量系统能够实现PN结、热电阻(PT100)、热电偶(镍锘-镍硅K型)三种方式的温度测量。可以满足不同测量范围、不同测量精度及不同场合的需要。本设计采用EDA作为开发工具,搭配单片机控制,使得单片机与EDA的配合成为可能,系统中使用单片机简单一些的就用单片机实施,而用EDA简单一些的就用EDA实施,例如:键盘操作用单片机比EDA简单得多,使得整个设计具有较新的设计思想。采用12位ADC模/数转换器,使得测量精度得到了极大的提高。数据处理采用现场可编程门阵列FPGA,它极高的程序执行速度使得系统响应更快更精确。本文可用于对精度和速度要求较高的多方式温度的测量。

参考文献

[1]潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2002.

[2]王振红.VHDL数字电路设计与应用实践教程[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.

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[9]梁文海.单片机AT89C2051构成的智能型频率计[J].现代电子技术,2002,25(2):7-9.

测量温度的故事 篇2

发明温度计的人，嘿嘿，绝对大名鼎鼎，他就是著名的物理学家、天文学家伽利略。

400年前，伽利略在意大利威尼斯的一所大学里教书。当时，世人都在琢磨，如何才能准确地测定物体或环境的温度。有一次，伽利略给学生上实验课，伽利略在一个试管里装上水，然后烧开，试管里的水烧开后上升了一些。伽利略考问学生这是为什么，学生回答是因为热胀冷缩的原理。

很简单的现象吧？可伽利略忽然脑中闪过一个念头：既然水温变化会导致液体的体积变化，反过来，为什么就不能用液体体积的变化推导出温度的变化呢？伽利略直奔实验室，立即着手实验，制作起温度计来。

温度计的变迁

伽利略很快试制成功了一支温度计。这是一根带有刻度的细长玻璃管，一端封闭，另一端没有封闭。使用时，将未封闭的一端插在水罐里，玻璃管中的水柱的高低就会随温度发生变化。

伽利略式温度计利用的是水的热胀冷缩原理，结构简单，测量结果也不算太准。因为这些水罐中的水除了受到气温的影响，也要受到大气压力的影响，因此伽利略式温度计只能测量一个大概温度。

伽利略有一位学生，名叫弗迪南，他用酒精代替水，将细玻璃管两头封闭，使得管中的酒精处于真空状态，避免了大气压的影响。这种酒精温度计的精准度大大提高，被意大利医学教授圣托里奥用来测量人体温度，获得了不错的效果。

过了十几年，伽利略的朋友，意大利人阿科德米亚发现，用水银代替酒精制作温度计，用来测量人体温度更加准确。此后，温度计和体温计不断地发展变化，但基本原理再没有什么变化。

水银or酒精

今天，常见的温度计依旧有两种，一种是水银温度计，一种是酒精温度计。这两种温度计各有优缺点，在实际使用中，要根据它们的特点来选择。

多路温度测量系统 篇3

利用单片机实现的多路温度测量系统所选用的器件主要有:AT89C51单片机、一线总线数字温度传感器DS18B20、液晶显示器LCD1602以及看门狗芯片X5045。

多点测温系统采用在一根数据线上串接多个DS18B20器件, 所形成的电路结构简单, 运行可靠。由于每个DS18B20都有其各自的序列号, 这样在一条总线上串接多个DS18B20组成的多点测温系统中就不会发生冲突或者是读错温度值。在系统安装及工作之前应将主机逐个与DS18B20挂接, 以读出其序列号。但是如果将DS18B20的序列号和程序一起写入ROM中时, 那单片机就只识别这几个传感器, 那将来在需要增加传感器个数的时候或者传感器出现问题需要更换传感器的时候将会变的很麻烦。所以系统采用了24C02来存储DS18B20的序列号, 24C02是一种具有I2C 接口的EEPROM 器件, 容量为256字节, 由于价格低廉、与单片机的接口简单、占用资源少, 这样就可以在现场安装或更换传感器。每个传感器的序列号在24C02中的存放位置为: (传感器编号-1) *8。

每只传感器直接挂接在单总线DQ 上, 通过4.7KΩ的电阻上拉。安装/更换传感器时, 将SW 拨向“设置”, 传感器单独与P1.2 相连, 以读取其序列号;正常测温时, SW 拨向“测温”如图1所示。

系统的总体测温流程是采样各点温度时, 先对总线上的所有传感器复位, 并跳过ROM, 启动温度转换命令, 这样所有挂在总线上的DS18S20同时开始转换, 750ms后, 转换结束, 单片机再依次发匹配ROM命令, 从24C02中读出的序列号id通过DQ总线送出, 选中指定的DS18B20, 并将温度值读入。温度值通过液晶显示器LCD1602显示出来, 界面简单明了, 温度的显示采用的是巡回显示温度。每根总线上所接的传感器的个数最多不超过8个, 当系统所要应用的环境所测量的温度点较少时就可以采用这种方法。

2 温度传感器

DS18B20属于数字式温度传感器, 由美国DALLAS公司生产, 具有接口简单、容易扩展等优点, 并且可以多个使用, 开发成多点的温度测量系统。在实际应用中也应注意以下问题:

(1) DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间, 这是必须保证的, 不然会出现转换错误的现象, 使温度输出总是显示85℃。

(2) 当单总线上所挂DS18B20超过8个时, 就需要解决微处理器的总线驱动问题。

(3) 连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。

3 硬件电路设计

图2是单片机AT89C51通过单总线控制多个DS18B20的电路图, DS18B20的DQ引脚的I/O为数据输入/输出端 (即单线总线) , 与单片机的P1.2口相连接。通常要在单线总线上外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻, 这样, 当总线闲置时其状态为高电平。LCD1602的数据线DB0～DB7与单片机的P0口连接 (即P0.0～P0.7) , 三个控制引脚RS、R/W、E分别与单片机的P1.7、P3.0、P3.1连接。看门狗芯片X5045有8个引脚, 其中WP只有在高电平时才可以向E2PROM写数据, 所以WP与VCC引脚都接电源;RST为复位输出引脚, 与单片机的RESET相连;SI为串行输入引脚, SO为串行输出引脚, SCK为串行时钟引脚, /CS为片选引脚。SI、SO、SCK和/CS均可以和单片机任何一个I/O引脚相连, 这里将其与单片机、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6相连。系统所选用的是4×4行列式键盘, 与单片机的P2口连接 (即P2.0～P2.7) 。SCL是存储器24C02的串行时钟线, SDA是数据及地址线, SCL和SDA与单片机的P1.0、P1.1连接; A0、A1、A2、WP引脚都接地, 则编程时芯片的地址信息是“000”。系统报警电路主要由蜂鸣器构成, 当温度超出限值时, 蜂鸣器鸣叫。蜂鸣器由SPCON端控制发声, 当SPCON输出低电平时, 蜂鸣器响;输出为高电平时, 蜂鸣器停止鸣叫, SPCON与单片机的P3.2口连接。

DS18B20采用了外部电源供电方式进行供电, 工作稳定, 抗干扰能力较强。单片机的工作时钟周期是12MHz, 在软件的设计中要依据这个来进行各种延时。

4 系统的主要流程

图3为主程序流程图。

在DS18B20工作之前需要对它进行初始化, 初始化的过程如图4所示。

当主机需要对众多在线DS18B20 的某一个进行操作时首先要发出匹配ROM 命令 (55H) , 然后主机提供64 位序列 (包括该DS18B20 的48 位序列号) , 之后的温度转换操作就是针对该DS18B20 的。先跳过ROM命令 即是启动所有DS18B20 进行温度变换, 之后通过匹配ROM 再逐一地读回每个DS18B20 的温度数据。

在DS18B20 组成的多路温度测量系统中主机在发出跳过ROM 令之后再发出统一的温度转换启动码44H 就可以实现所有DS18B20 的统一转换, 再经过1s 的延时后就可以用很少的时间去逐一读取各个DS18B20的温度, 然后再通过显示电路将温度显示出来。这种方式比较传统的方式更加省时, 并且当通道数越多的时候效果就越明显。图5是多路温度测量系统读取温度的流程图。

5 结束语

系统进行多路的温度测量与显示, 在显示温度方面采用的是温度的巡回显示和特定温度显示两种方法, 通过键盘的设定来选择方式。采用的传感器是DS18B20, 其硬件简单、测温方便、价格低廉。温度的显示是通过LCD1602显示出来的, 系统还添加了看门狗模块, 目的是增加可靠性和抗干扰的能力。下一步的工作就是对系统的实时性进行改进, 对单片机的程序进行改进和优化, 简化指令, 缩短程序执行和等待的时间。

参考文献

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[6]王为青, 邱文勋.51单片机应用开发案例精选[M].北京:人民邮电出版社, 2007.

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[11]鲁刚强.基于液晶显示器的单片机系统设计[J].科技咨询, 2008 (35) .

用大数据测量城市幸福的温度 篇4

但事实并非如此。在城市发展的过程中，两者之间经常此消彼长。

城市在发展，人们幸福感却可能降低了。城市病蜂拥而至——交通拥堵、环境污染、上学难、就医难等，已经严重困扰城市居民的生活。

城市发展和城市居民的幸福感，是城市两个并行不悖的发展宗旨和目标。城市具备一定的经济功能，人们才有幸福可言，而丧失了经济功能的城市，幸福只能纸上谈兵。然而过于追求城市的经济功能，忽视了城市的社会文化等生活功能，人们的幸福感就会受到伤害。这样的例子并不鲜见。

可喜的是，在中国最具幸福感城市调查活动持续开展的9年历程中，我们发现，城市管理者已经意识到经济发展和居民幸福协调发展的重要性，他们对居民幸福感的关注度日益上升，其视角已从单纯追求城市的经济功能转向城市居民的幸福感受度。

2015年是中国全面建设小康社会的第15个年头，为贯彻落实党的十八届三中全会精神，全面推进小康社会建设，集中展示中国城市在小康社会建设过程中的成就与经验，《瞭望东方周刊》联合中国市长协会《中国城市发展报告》继续主办了“2015中国最具幸福感城市调查活动”，力图集中展示一批在全面建设小康社会过程中有突出贡献的幸福城市，并推广城市在小康社会建设过程中的成就和经验，为如期实现全面建成小康社会的目标提供现实的参考样本。

与以往的调查方式相比，2015年的幸福城市调查更强调大数据的运用。

近年来，大数据如浪潮般席卷全球，并深度改变人们的生活、工作和思维方式。越来越多的国家开始从战略层面认识大数据，在城市治理领域融入大数据思维和技术。2015年7月1日，国务院办公厅发布的关于运用大数据加强对市场主体服务和监管的若干意见中明确提出，提高政府运用大数据的能力，推动政府向社会力量购买大数据资源和技术服务。而第三方向政府提供的大数据资源和技术服务，将成为社会发展的主潮流。

多方式温度测量系统 篇5

本文所设计的测量系统由若干个处于各测量点的无线数字温度传感器和一台带无线收发电路的主机(单片机)系统组成,其结构如图1所示。上位机与各下位机之间采用主从式异步无线串行通信方式。

1无线数字温度传感器

在温度测量电路中采用Dallas公司生产的1-Win总线数字温度传感器DS18B20。DS18B20是3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃-+125℃,可编程为9位-12位MD转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度以带符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可从端脚引入,也可采用寄生电源方式产生。本系统采用从端脚入工作电源方式。温度测量电路如图2所示。

2无线收发电路

无线收发电路如图3所示。无线收发电路采用Nordic公司生产的nRF901单片射频收发芯片。nRF901工作于433MHz,芯片内置数据协议和CRC检错,输出功率和通信频道可通过程序配置。芯片能耗非常低,以-10dBm的功率发射时,工作电流只有11mA,接收时工作电流只有12.5mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。

nRF901的PCB一般都是双层板,底层不放置元件,地层、顶层的空余地方一般都敷上铜,这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。nRF901的供电电源应通过电容隔开,这样有利于给nRF901提供稳定的电源。在PCB中,尽量多打一些通孔,使顶层和底层的地能够充分接触。

3主机系统

主机(上位机)采用A T 9 8 C 5 1单片机,外接n R F 4 0 3无线收发电路、健盘显示及微型打印机等电路。电路组成如图4所示。

二、系统工作原理及软件设计

在这个多点温度测量系统中,系统采用查询方式对各点的温度进行测量,使用了多台P I C单片机作为下位机,并按照上位机的要求将采得的温度数据传送给上位单片机A T 8 9 C 5 1系统。上位机与各下位机之间采用主从式的异步串行通讯方式,即下位机接到上位机的通信信号时才做出响应,否则将一直处于睡眠状态。

限于篇幅,这里主要是设计下位机即P I C 1 6 C 5 4单片机与上位机即A T 9 8 C 5 1单片机的通信程序,而A T 9 8 C 5 1单片机与显示器件,打印机及通信程序是大家所熟知的,这里不作讨论。

下位机型号为P I C 1 6 C 5 4,它体积小,功能强,功耗低。它没有专门的串行通讯口及相关的控制字和标志位,采用普通I/0口和特定的通信协议,实现了主从式的多机串行通讯,实际应用中取得良好效果。

鉴于上位机对下位机发送的命令只有2种:呼叫、发送温度测量数据。呼叫命令即是上位机欲与之通信的下位机的编号,而发送命令只要不与呼叫命令重复,即可以将下位机的地址编号,同样作为数据命令来发送。具体方法是,在单片机的程序中,设置一个标志寄存器F L A G,将它的某一位如第7位,即F L A G 7作为控制位,先将其设为0。各下位机在接收到上位机命令之后,首先查看F L A G 7为1还是为0,如果F L A G 7为1,则转入温度测量程序和发送温度测量数据段;若为0则将接收到的命令与本机地址相比较,若不同,则返回睡眠状态,F L A G 7仍为0;若相同这种情况说明:上位机此时确实发送的是呼叫命令则将F L A G 7置:为1,表示已得知上位机要与自己通信,同时将本机地址传给上位机作为回应。当上位机再次发来命令时,即可实现一对一的通信。

三、结束语

所设计的无线多点温度测量系统采用专用集成电路,电路结构简单,工作稳定可靠。设计中充分利用了各芯片的低功耗特性,有效地延长了电池的使用时间;无线数据传输方便灵活,在烟草、粮食等仓库中应用效果良好。

参考文献

[1]窦振中：《PIC系列单片机原理主程序设计》[M]．北京航空航天大学出版社，2000

多方式温度测量系统 篇6

1.1 光纤温度传感器的种类

按照不同的工作原理,可以将光纤温度传感器分功能型和传输型两类。与传输型传感器不同,功能型传感器中的光纤不仅是传感器,还是光信号的载体。下面我们介绍两种比较常用的光纤温度传感器:

1.1.1 分布式光纤温度传感器

在光纤传送的过程中,激光的反射光包括三部分,即瑞利散射、拉曼散射以及布里渊散射。分布式光纤温度传感器开始是基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统,后来发展为基于光时域和光频域拉曼散射的光纤温度测控系统。至现阶段,分布式光纤温度传感器可以实现长达30km的温度测量,测量精度可以控制在0.5℃范围绕内,而空间定位精度可控制在0.25m以内,温度分辩率高达约0.01℃。现在分布式光纤温度传感器进行连续分布式测量时,主要仍是基于拉曼散射效应与光时域射计技术相结合来实现的;而现在光纤温度传感器的研究热点则是基于布里渊散射光时域和光频域系统。

1.1.2 光纤光栅点式温度传感器

光纤纤芯会形成空间相位光栅,而光纤材料自身又具有光敏性,因此光纤光栅温度传感器就利用光纤材料的这一特性实现温度的测控。光纤光栅的编码即为其波长,因此光纤光栅温度传感器在建筑、电力、石油甚至航天领域均得到广泛的应用。光纤光栅温度传感器又分为Bragg光纤光栅温度传感器以及长周期光纤光栅传感器。其中Bragg光纤光栅指的是单模掺锗光纤经过紫外光照射成栅技术所形成的全新的光纤型Bragg光栅,其成栅后光纤的纤芯折射率呈现出周期性的分布条纹,同时产生Bragg光栅效应。它的基本光学特性是窄带光学滤波器,其以共振波长为中心,并满足下述光学方程式:λb=2nΛ

上式中:λb:Bragg波长;Λ:光栅周期;n:光纤模式下有效拆射率。

此外还有长周期光纤光栅,相对而言该光纤光栅比较特殊,它把前向传输的基模耦合到同是前向传输的包层模中。其背景发射很低,而且宽带滤波,属于新型的宽带带阻滤波器。

1.2 光纤温度传感器的工作原理

光时域反射技术:当光脉冲进入光纤后,光纤中内部因子的折射率不均交,光就会与其产生碰撞再反射回来,从而连续的产生瑞利背向散射光然后回到入射端。在定位受测温度点时,就可以根据光纤中光波的传播速度及背向光回波的时间间隔来进行。例如采样频率设为f,光纤中光的速度为v,真空环境下光的速度设为c,光纤折射率为n,光脉冲在光纤中的距离S为单程距离L的两倍,则可得出下式:S=2L=vt=cnf

上式反映出光时域反射技术在进行光纤故障点、受测点以及断点的定位时,均有着重要的作用。

1.3 背向Raman散射

当脉冲激光器所发射的光脉冲入光纤后,光波就会产生非弹性碰撞,从而光波频率就会出现偏移,能量也随之转移,最终产生Raman散热。

1.4 瑞利散射

光通过激光器脉冲入光纤后,激光脉冲就会和光纤中的离子产生弹性碰撞,其中一部分光被散射回来,这部分光中有些频率和入射光相等,即为瑞利后向散射光。

2 光纤温度传感器在温度监测系统中的应用

2.1 提高系统的信噪比

利用DTS测出的温度信号比较微弱,如果在噪声很大的环境中,会导致有效温度信号的数据丢失。所以分析这种微弱的温度信号时,要先对其做相应的预处理。在解调过程中信噪比要能够与测量的精度要求相符,因此可以利用小波分解结合互相关延时过程的方法进行所采集微弱信号的去噪处理,以提高其信噪比。因为小波函数中Haar函数在处理信噪比相对较低的系统信号时比较有效,所以系统在处理信号时可以选择Haar函数。而互相关函数可以准确出输出信号受输入信号影响的程度,可以有效的修正测量过程中由于噪声源所导致的误差,且互相关的过程又满足系统处理信号的要求,所以选择其进行信号处理。将上述两种方法相结合,对信号进行去噪处理可以得到很好的效果。

2.2 系统的结构和解调原理

分布式光纤温度传感器系统所利用的是上述光时域反射技术及光纤背向Raman散射温度效应。当脉冲激光器LD射出脉冲光后,其经过定向耦合器向传感光纤输出,背向散射光带有受测点的温度信息,传感光纤再将其传回至定向耦合器并分为路,其中一种可以直接由背向散射光提取瑞利光,而另外一路则经过波分复用器后滤出反斯托克斯光。APD,即光电检测器可以探测出这两路光信号的空间温度,并将光信号转换为电信号再进行放大,将放大后的电信号传输至数据采集及处理电路进行双高速A/D转换以及数据处理,接着将处理好的数据传送至计算机系统,计算机的屏幕上就会实时的显示出数据处理的过程。再通过小波函数结合互相关过程的方法对信号去噪,最终根据解调的温度信号获取受测区的温度分布信息。

系统通过反斯托克斯和瑞利后向散射比解调的方法进行温度信号的解调,通过瑞利散射的光时域反射仪曲线解调反斯托克斯光的光时域反射仪曲线,最终获取需测量的温度。系统通过双通道测量的方法获取温度值,获取的解调温度数据精确度更高,系统的稳定性及灵敏度均有所提高。

3 系统测试结果

对上述系统进行测试:把920m处的光纤置于50℃恒温环境中进行相关试验,同时也将普通的酒精温度计置于同一环境。在试验过程中,酒精温度计的温度显示为49~50℃时,光纤传感器温度监测系统所显示出的温度值为50℃,而定位光标仪所显示的光标1则为920m;当温度试验区的受测温度出现明显变化时,该系统的测试结果与酒精温度计的测量结果相符。

参考文献

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[2]苏国民.光纤温度传感器在煤矿井下温度测量系统中的应用[J].科技资讯,2009,(11).

基于虚拟仪器的温度测量系统 篇7

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,测温时,热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响,因此测量精度高。常用的热电偶从-50 ℃～+1 600 ℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269 ℃(如金铁镍铬),最高可达+2 800 ℃(如钨-铼)。另外,热电偶通常由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。所有这些优点使得热电偶成为工业上最常用的温度检测元件之一。

虚拟仪器是计算机技术和仪器测量技术相结合的产物,它充分利用计算机强大的运算处理功能,突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制[1]。本文利用虚拟仪器平台,通过编写Labview软件对温度进行测量,可以减少硬件的重复开发,有利于系统的维护,也便于系统软件升级。

1 热电偶测温原理

热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来,构成一个闭合回路。如图1所示。由于两种不同金属所携带的电子数不同,当两个导体的两个连接点之间存在温差时,就会发生高电位向低电位放电现象,因而在回路中形成电流,温度差越大,电流越大,这种现象称为热电效应,也叫塞贝克效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。如果两个接点的温度相同,则不会产生电流。

图1中,由两根不同导线A和B组成电路,连接成的接点温度分别为t和t0,则电路中产生的热电势等于接点的电动势之差,如下式:

EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0). (1)

热电偶用于探测温度的一端称为“热端”,处于标准温度的一端称为“冷端”,国际公认的标准冷端温度为0 ℃,但是在工业现场,要将冷端温度处理成0 ℃不太现实,因此必须对冷端进行补偿。对于冷端温度为t1的情况,可按下式进行处理:

E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0). (2)

式(2)中,E(t,0)表示热电偶热端温度为t,冷端温度为0时的热电势;E(t,t1)表示热端温度为t,冷端温度为t1时的热电势,E(t1,0)表示热端温度为t1,冷端温度为0时的热电势,根据实际测试得到的冷端温度,查分度表可求得E(t1,0),E(t,t1)可直接测得,这样就可以求出E(t,0),再查分度表即可得到热端的温度。

2 系统硬件设计

系统硬件由热电偶、信号调理模块、数据采集卡、PXI机箱组成,如图2所示。本设计采用K型热电偶,使用温度范围为-200 ℃～1 200 ℃,其输出电压信号为mV级,因此,信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路以及冷端补偿电路。热电偶测试的冷端补偿通常有两种方式:硬件补偿和软件补偿,本设计采用软件补偿的方式。

采用差动输入的方式将热电偶输出信号连接到仪表放大器上,热电偶满量程输出信号为100 mV,数据采集卡的输入电压范围为-10 V～10 V,因此设计仪表放大器的放大倍数为100。为了减少噪声,采用2阶有源低通滤波器对放大器的输出信号进行滤波,滤波器的截止频率为2 Hz。另外,为了抑制放大器的零点漂移,设置一个基准调节电路,将放大器的基准电压稳定在5 V,减小放大器自身引入的误差。电路原理图如图3所示。

金属的电阻随温度的上升而增加,利用此特性制成的传感器称为热电阻,很多材料可制作热电阻温度传感器,其中最常用的材料为铂,铂电阻的电阻率高、电阻与温度成线性关系、测温范围广、精度高。目前常用的铂电阻有两种:Pt100和Pt10,Pt100铂电阻在温度为0 ℃时电阻为100 Ω,100 ℃时电阻为138.51 Ω,Pt10在温度为0 ℃时电阻为10 Ω,本设计采用Pt100对冷端温度进行测量,将测得的冷端温度送给计算机,通过软件计算进行补偿。冷端温度测量电路如图4所示。

3 系统软件设计

系统软件采用Labview图形化语言进行编写,程序流程如图5所示。

为了消除冷端温度变化引起的误差,对每次采集的100个冷端电压值求平均,再通过公式将电压值转换为Pt100的电阻值,然后查找Pt100分度表将电阻值转换成温度值,通过查找分度表确定温度的方法存在较大误差,不能满足需要精确测量温度的情况,因此必须寻求更加有效的方法求解冷端温度。Labview自带功能强大的运算函数,包括曲线拟合函数。可利用函数(General Polynomial Fit.vit,位于数学-拟合面板)对Pt100的分度表进行二次拟合,得到一个二次方程:T=aR2+bR+c(T为温度,R为电阻值,a,b,c为拟合得到的结果),将R代入该公式即可自动求得温度值。计算出冷端温度后,通过查找热电偶分度表可得到E(t1,0),进而得到E(t,0)。同样,对热电偶分度表,也可以从中均匀地选出一组值进行二次拟合,作为温度查询程序。

得到热端温度后,根据预先设置的温度上限和下限自动判断是否在正常的范围内,如果超过温度上下限,系统会发出警报,若在正常范围内,则进行显示。另外,程序可以对采集得到的数据进行保存,数据格式为.tdms格式,并且可以对保存的数据进行查询和波形回放。

试验的结果表明,该软件通过简洁友好的界面,可以很好地对温度进行实时检测,用户可直接观察温度变化过程,并且可以对测试结果进行保存和查询。

4 结束语

本文基于虚拟仪器技术进行温度测量系统设计,系统结构简单,易于维护,并且有很强的通用性,系统硬件可以设计成标准模块,搭建新系统时可直接利用,软件可根据用户需求进行适当修改,整个系统可用于某些恶劣环境下的温度测量,具有一定的推广价值。

参考文献

[1]靖苏铜,赵福堂.基于Labview的热电偶温度测量系统[J].仪表与计量技术,2005(6):37-39.

一种井下压力温度测量系统设计 篇8

一、系统硬件框架设计

经过设计, 得到如下图1所示系统硬件框图。

(1) 温度和压力传感器:测量井底的温度和压力信号, 并将感应到信号送给放大电路; (2) AD620:由于传感器感应出来的信号非常小, 所以需要用仪用放大器将传感器传来的小信号进行放大, 以便利用A/D转换器的满量程分辨率; (3) A/D转换器AD574:将采集到的模拟信号转化成数字信号, 送给主控单元; (4) STC89C51:将A/D转换器传来的数据进行处理, 处理后的结果送至显示单元进行显示; (5) 存储器:存储采集的温度和压力数据。

二、系统软件设计

程序运行流程图如图2所示。

(1) A/D转换器的驱动程序:驱动A/D转换器使其进行工作, 控制其读写方式; (2) 读取A/D转换器结果程序:A/D转换结束后, 单片机通过程序控制, 来读取来自A/D的转换结果, 并送给处理程序进行处理; (3) 数据处理程序:将读取到单片机的数据进行线性运算, 将采集到的电压信号值转化成压力信号值, 并进行误差的简单处理; (4) 显示程序:将单片机处理后的结果显示出来; (5) 人工操作程序:控制整个系统的启动, 复位等。

三、系统测试

测试时下入同心直读验封压力计, 分别将仪器从上到下坐入同心配水器, 操作地面注水闸门, 改变井内注水压力, 测试封隔器的密封情况, 然后上提/取出仪器, 回放数据并保存, 完成验封测试, 数据曲线如下图3所示。

四、结论

本文主要论述了可以在千米油井恶劣环境下能对压力和温度进行动态测试的双通道石油井下测试系统的设计原理和总体方案, 重点阐述了此测试系统的硬件设计, 软件功能的设计, 并使仪器在实测中得到了验证和应用。

参考文献

[1]张杰.石油井下测试系统的研究及数据处理.中北大学硕士学位论文, 太原:中北大学, 2008

[2]周静, 刘塞立, 强琳.井下储存式电子压力计的软件设计.测井技术[J], 1993, 18 (4) :281-287

[3]王华, 祖静, 杨志刚.石油井下电子测压器的新发展.中国兵工学会第六届测试技术学术年会论文集.北京:兵器工业出版社, 1992:374-353

多方式温度测量系统 篇9

【关键词】温度传感器；无线数传；单片机

随着集成电路技术的发展，单片机的应用已经十分广泛，价格也下降到能够被大多数人接受的范围。使用单片机配合数字温度传感器可以实现温度的实时采集，而且使用SPI通讯协议可以实现与nRF905无线数传模块的通讯，并通过1602液晶显示器将无线传输的结果显示到用户的终端中，从而实现温度数据的无线测量与传输功能。

1.系统设计构想与结构

温度的测量是最常见的应用之一，本文通过设计一个无线温度测量数字传输系统，能够让用户在传统的测温技术的基础上解决温度传感器线缆布线难度大、不美观以及长距离传输误差较大的难题，让远距离的温度测量成为一个可行的解决方案。

1.1无线温度传输系统的结构

无线温度传输系统主要由发射终端和接收终端两部分组成。发射终端主要有控制芯片、温度传感器、无线数传模块组成，主要的作用通过控制温度传感器来获得远程站点的温度，并通过无线数传方式发射出去；接收终端主要有控制芯片、显示器件以及无线数传模块等组成，主要是用于接收远程站点用无线数传方式发射过来的数据包，经过分析后获得远程站点的温度并显示出来。

1.2技术难点及方案选择

1.2.1采集温度的方式的选择

DS18B20数字温度传感器是一种基于单总线传输协议的温度传感器，它只需要一个元件就能够实现温度的测量，而且得益于采用了单总线协议，这款温度传感器占用的单片机I/O接口只有一个，极大地节省了单片机的端口资源，提高了系统的扩展性能。因此，本设计采用DS18B20数字温度传感器作为温度采集的手段。

1.2.2数据无线发送和接收方法的选择

常见的无线数传模块有433MHz和2.4GHz等频段，其中2.4GHz的频段能做到的数据传输带宽较高，但传输距离非常短，若不配备价格较高的高增益性，传输距离往往只有几十米甚至是十几米，而信号穿越障碍的能力也不好，难以在建筑物密集的区域使用。而433MHz的频段虽然数据传输带宽没有2.4GHz的频段高，但是传输距离和信号穿越障碍的能力比2.4GHz的频段好很多，因此十分适合使用在温度数据的无线传输用途上。因此，本设计使用433MHz频段的nRF905无线数传模块作为无线数据传输的方案。

1.2.3温度显示的选择

本设计的接收终端在接收到远程站点发送回来的温度数据后，最终要将它显示出来。至于具体选用哪一种方式，需要考虑到设计的实际需求。本设计既要降低显示器件的功耗，以尽量节能电能，又要考虑到各种功能的显示需求。

至于液晶显示器，则是一种节能型的显示器件，本设计使用字符型的1602液晶显示器作为显示器件，它可以显示英文、数字等字符，而且功耗低，适合本设计使用。

2.硬件部分设计

2.1单片机最小系统设计

2.1.1电源电路设计

本设计使用了5V的开关电源或电脑USB接口进行供电，因此在电源部分上结构不太复杂。

2.1.2时钟电路设计

至于晶体振荡器电路则是向系统提供标准的时钟震荡信号，以让系统产生节奏从而执行各种指令。

2.1.3复位电路设计

本系统使用STC89C52RC单片机作为控制核心，该款单片机实际上跟AT89C52单片机是完全兼容的，因此控制连接电路设计也可以直接参考传统的51单片机。

2.2 nRF905无线数传模块电路设计

单片机的工作电压为5V，本次设计提供的电源也为5V，而射频芯片nRF905的工作电压在3.3V到3.6V之间，因此必須要进行电压转换，需要用一个电压转换芯片AMS1117—3.3。

2.3报警电路设计

本设计使用有源蜂鸣器实现报警效果。

2.4按键电路设计

对单片机系统而言，实现按键功能主要就是将单片机的某个I/O端口与高电平或低电平连接在一起，如在下面的电路中，使用按键的一端接单片机的I/O口，而按键的另一端接GND即电源的负极，在系统中电源的负极即相当于低电平，所以在按下按键后单片机的相应I/O端口的电平即会被拉到低电平，只需要在后面的程序编写中读取该I/O端口的电平状态，从而判断按键当前的状态到底是按下还是抬起。

3.软件部分设计

3.1系统总体软件设计

对发射板来说，总体的软件设计主要包括了温度的采集、数据包的处理以及无线发送这几个部分。

而对接收板的软件来说，承担了显示、报警处理等职责，因此总体软件设计要稍微复杂一点。

3.2系统各部分模块软件设计

3.2.1温度传感器软件设计

主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。ROM指令与硬件相关，表示单片机对一个或者多个DS18B20元件进行寻址，或者读取其中某个DS18B20器件的地址，而RAM指令用于单片机对DS18B20内部随机存储器RAM的操作。

3.2.2 nRF905无线数传模块软件设计

3.2.3液晶显示软件设计

一种新的温度测量液晶显示系统 篇10

本文设计了一种用于监测环境温度的温度测量液晶显示系统,重点介绍了数字温度传感器DS18B20在系统中的应用。

1 温度测量液晶显示系统[1,2,3]

基于DS18B20的温度测量显示系统由DS18B20温度传感器、89S51、液晶显示模块、蜂鸣器等组成。温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号(以16位补码形式,占两个字节),传感器可置于离装置150 m以内的任何地方,I/O引脚直接与单片机的P1.4相连,R1为上拉电阻,传感器采用外部电源供电方式,AT89S51是整个装置的控制核心,显示器模块采用LCD显示模块,所测温度3 s刷新显示一次,系统电路见图1。

温度传感器采用12位输出,分辨率为0.062 5 ℃,温度最大转换时间为750 ms[4],该系统的显示输出保留1位小数,分辨率为0.1 ℃。另外系统还设定温度上下限进行超温、低温报警。

系统程序分传感器测温程序、温度转换十进制程序和显示程序等几部分,其流程图见图2。

2 DS18B20

DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。它具有体积小,接口方便,传输距离远等特点[5]。每一个DS18B20均有一个唯一64位的序号,它是传感器的地址序列号,在出厂前被光刻好,因此多个DS18B20可以挂接在同一根总线上进行多路测量。

2.1 DS18B20的结构

DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,I/O为数据输入/输出端(即单线总线),它属于漏极开路输出,外接上拉电阻后,常态下呈高电平。VDD是可供选用的外部+5 V电源,不用时需接地。GND为地。DS18B20由以下部分组成:1)寄生电源;2)温度传感器;3)64位激光ROM与单线接口;4)高速暂存器,即便笺式RAM,用于存放中间数据;5)TH触发寄存器和TL触发寄存器,分别用来存储用户设定的温度上下限值;6)存储与控制逻辑;7)8位循环冗余校验码(CRC)发生器[6]。

2.2 DS18B20控制方法

DS18B20的电源供电方式有两种:一种是外部电源供电,GND接地,I/O与单片机的I/O线相连,见图3;另一种是寄生电源供电,VDD,GND接地,I/O线接单片机I/O,见图4。无论是哪种供电方式,I/O口线都要接5 K左右的上拉电阻[4]。

DS18B20的ROM操作指令:33H读ROM;55H匹配ROM;CCH跳过ROM;FOH搜索ROM;ECH告警搜索。DS18B20的RAM操作指令:4EH写暂存存储器;BEH读暂存存储器;48H复制暂存存储器;44H温度变换;B8H重新调出;B4H读电源。指令的使用如下:MOV A,#OCCH;CCH为跳过ROM指令;LCALL WRIT18B20;WRIT18B20为写命令子程序。

单片机对DS18B20的每一步操作都要遵循严格的工作时序和通讯协议,访问过程是:首先对DS18B20初始化,再进行ROM操作命令,最后才能对存储器数据操作。如主机控制DS18B20完成温度转换、读取温度值这一过程,步骤为先进行初始化操作,再发送44H指令进行温度转换,延长一段时间后,再次初始化操作,发送BEH指令进行读取温度值,然后将所得温度值转存[5]。

2.3 DS18B20子程序流程图

DS18B20的读操作子程序流程图见图5,写操作子程序流程图见图6。

3 结语

数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件,它相当于传统温度传感器+A/D转换+CPU+单总线协议及接口,具有单总线结构,数字量输出,直接与微机接口等优点,既可用它组成单路温度测量装置,也可用它组成多路温度测量装置。本文介绍的单路温度测量显示系统在室温下进行实际测试,工作完全正常,达到了预期要求。

参考文献

[1]张志良.单片机原理与控制技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]孙涵芳,徐爱卿.单片机原理及应用[M].北京:航空航天大学出版社,2006.

[3]深圳锦昌电子有限公司.图形点阵液晶显示模块使用手册DM12864M[Z].

[4]DS18B20 Programmable resolution 1-Wire Digital Thermome-ter Datesheet.

[5]江世明,刘先任.基于DS18B20的智能温度测量装置[J].邵阳学院学报(自然科学版),2004,1(4):27-30.