远程监控温度传感器（精选十篇）
远程监控温度传感器 篇1
基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术自问世以来,在国外取得了非常大的研究进展,出现了许多商用化产品,国内的研制工作也已达到了国际先进水平[1,2,3,4,5,6]。
分布式光纤温度传感器利用脉冲激光通过拉曼光纤波分耦合器一端进入光纤,光纤产生的背向散射光经过拉曼光纤波分复用器被分成斯托克斯(Stokes)拉曼光和反斯托克斯(Anti-Stokes)拉曼光,经过雪崩光电二极管(APD)的光/电转换和高速模/数转换累加处理之后,送到计算机中进行温度解调和数据存储分析,实现在线分布式温度测量。然而脉冲光在光纤中传输时,当光功率衰减到某个值后就不能产生拉曼散射光或者非常微弱,此外受传感器系统信噪比的限制,所以远距离处的光纤内无拉曼散射光或者仅有微弱的拉曼散射光,无法被该分布式光纤温度传感器所探测。
为了解决现有分布式光纤温度传感器测量距离不够远的问题,本文在分布式光纤温度传感器的基础上,提出一种基于集成光中继传感技术的超远程分布式光纤拉曼温度传感器,该传感器不但可实现60 km的超远程在线分布式温度测量,而且提高了分布式光纤拉曼温度传感器系统的温度测量精度。
1 超远程分布式光纤拉曼温度传感器
1.1 系统结构
超远程分布式光纤拉曼温度传感器是在现有分布式光纤拉曼温度传感器的基础上提出的,其结构如图1所示,包括由大功率窄脉冲光源、拉曼光纤波分复用器、光接收模块、双通道模/数(A/D)转换采集卡和温度信号分析处理系统组成的主机和传感光纤。其特征在于:传感光纤的连接处嵌入集成光中继传感光模块,可以在多段传感光纤间嵌入N个集成光中继传感光模块,实现光中继放大传输的N级级联,真正实现分布式光纤温度传感装置N×L距离的超远程测量。
1.2 信号检测原理
基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术是利用光在光纤中传输时产生拉曼散射信号和光时域反射(OTDR) 技术来获取温度场的分布信息。当具有一定能量的泵浦光(ν0) 注入到光纤中时,入射光子与纤芯分子相互作用, 受纤芯的微观密度变化和成分起伏的影响, 会产生瑞利散射(ν0)、Anti-Stokes散射 (νa =ν0 +Δν)和Stokes散射(νs =ν0-Δν),对石英光纤介质而言,Δν=1. 32×1013 Hz。拉曼散射光的强弱受到光纤散射点的温度调制,背向散射回来的拉曼光经过光学滤波、光/电转换和A/D转换后,送入信号处理系统便可将温度信息显示出来。同时,可根据光在光纤中的传输速度和背向散射光回波的时间对温度场的空间信息进行定位,所以它同时也是一个典型的光纤雷达系统。
当功率为P0、频率为ν0的泵浦光注入到光纤中时,在光纤局域L处温度为T,光纤入射端所探测到的背向Anti-Stokes和Stokes 散射光的功率Pa、Ps分别如下:
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式中, P0为注入到光纤中的有效功率;Ka 、Ks分别为与光纤Anti-Stokes和Stokes散射界面有关的系数;Sb为背向散射的系数;α0、αa和αs分别是入射光、Anti-Stokes和Stokes散射光在光纤中的传输损耗;Ra(T)、Rs(T)分别为在温度T时与光纤分子低能级和高能级布居数有关的系数,且
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式中, h为普朗克常量;k为波耳兹曼常量。采用Anti-Stokes散射光的光强所携带的温度信息来进行测温,同时为了消除参考注入光功率大小的不稳定性、光纤弯曲和受压等环境干扰对Anti-Stoke光的影响,可以把Stokes光作为参考信道,故将式(1)、(2)相除,得到光纤局域L处的温度为
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可见,Anti-Stokes和Stokes散射光光强之比只与环境的绝对温度有关,而与注入泵浦光的功率大小、光注入条件及光纤应力条件、几何尺寸及组成成分无关。当系统处在参考温度T0时,
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将式(5) 、(6)相除,可以得到
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F(T)/F(T0)的值为光/电转换后的电压信号比,通过式(5) 就可以求得光纤局域处的温度T。
2 高速高精度A/D转换采集技术
基于现场可编程门阵列(FPGA)的双通道高速高精度A/D转换采集卡原理框图如图2所示。其功能主要是将经APD转换并经宽带低噪声主放大电路放大后的后向Anti-Stoke散射和Stoke散射电信号进行数字化,并进行多次平均累加等数据预处理后缓存,再送给计算机进行处理,从而获得空间温度场的分布信息。
FPGA的功能结构图如图3所示。其内核设计包括信号采集控制、存储、预处理及通信传输等功能模块单元。
预处理单元由外部输入的同步脉冲协调工作,同步信号方式为上升沿触发,可由上位机选择内触发或外同步。主要完成两路散射光信号数据的前次累加和与当前数据再次进行累加的功能,累加后的结果送入结果存储器,数据采集深度和累加次数可由上位机软件设计。
3 光中继传感技术原理
图4所示为基于光中继传感技术的超远程分布式光纤拉曼温度传感器的简化示意图。光中继传感模块嵌入多级传感光纤之间,利用光中继传感模块的增益克服光纤损耗,增强了光纤中自发瑞利散射光的强度,提高了分布式光纤温度传感系统的信噪比,增大了系统的传输距离,提高了目标区域内的温度测量精度。
根据实际工作的要求,光中继传感模块的设计要保证系统探测的实时性、精确性与稳定性。光中继放大模块包括光放大器、2×2光纤耦合器及光纤波分复用器。
光中继放大传感装置包括一个输入端和一个输出端,它由掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤耦合器及波分复用器组成。其功能是通过放大经前段传感光纤衰减的光脉冲,来增强后段传感光纤中自发后向散射光的强度,传感光缆分段进行测量,从而提高了分布式光纤传感器的后段传感光纤散射信号的信噪比,增大了分布式光纤传感器的测量距离,提高了温度测量精度。该装置结构示意图如图5所示。
4 实验与分析
实验条件:激光脉冲:中心波长1 550 nm,峰值功率15 W,脉宽10 ns;光滤波器1:1 450/1 550 nm,隔离度50 dB;光滤波器2:1 663/1 550 nm,隔离度50 dB;光中继传感模块增益:15 dB;被测光纤长度60 km:在传感光纤中级联3级集成光中继放大光模块,以便对传感光纤分段(每段15 km)进行测量。
由实验可知,通过在传感光纤中嵌入集成光中继放大模块,放大经每段15 km传感光纤衰减的窄脉冲激光,可增强后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度,提高分布式光纤拉曼温度传感装置的信噪比,测试曲线如图6所示。在传感光纤中级联3级集成光中继放大模块,将60 km传感光纤分4段进行测量,从而提高了温度测量精度,真正实现了分布式光纤拉曼温度传感器60 km距离的超远程测量。
5 结束语
本文设计了一种基于光中继传感装置的超远程分布式光纤拉曼温度传感器。通过在传感光纤中嵌入集成光中继放大模块,放大经传感光纤衰减的窄脉冲激光,增强了后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度,提高了分布式光纤拉曼温度传感装置的信噪比。在传感光纤中级联N级集成光中继放大模块,就可以对传感光纤分段分时进行测量,从而提高了温度测量精度,真正实现了分布式光纤拉曼温度传感器N×L距离的超远程测量。
参考文献
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远程监控温度传感器 篇2
和实现过程。整个设计包括使用AD590的模拟温度采集传感器专用仪表放大 器AD620的信号处理系统由ADC0804构成的模数转换电路采用AT89C52组 成的单片机系统数码管显示系统和整机所需的供电系统。
关键字温度检测系统AD590AT89C52
Ⅰ Abstract The temperature check system in modern industry is that uses some special method to process and display the environmental temperature.Tradition uses PTC or NTC resistance to be using process to there be existing much defects as the temperature sensor way, supposes that what be detected the temperature has a bad accuracy, systematic reliability is bad, has much difficulties to design, and the cost of e ntire system is expensive.To use this method already unable satisfied modern industry produces the need being hit by the high-accuracy temperature under the control.Use the special temperature transducer could improve the systematic function of temperature detecting.This article elaborated the high-accuracy temperature having set forth a because of special temperature transducer AD590 checks the main body of a book systematically designing and realizing process.Entire design is included: Use the AD590 temperature transducer to detect the analog temperature, instrumentation amplifier AD620 signal process system, change the analog signal to digital signal circuit of ADC0804, the AT89C52 MUC system and the power system.Key wordtemperature check systemAD590AT89C52
Ⅱ 目录 摘 要.............................................................Ⅰ
Abstract............................................................Ⅱ 目 录.............................................................Ⅲ 1 绪论..............................................................1 1.1简介..........................................................2 1.2 温度控制系统的国内外现状......................................2 1.3 温度控制系统方案..............................................2 1.4 论文的主要任务和所做的工作....................................2 2设计方案以及论证..................................................4 2.2 温度传感部分..................................................4 2.3 A/D转换部分..................................................5 2.4数字显示部分..................................................6 3 电路设计.........................................................8 3.1 硬件电路设计.................................................8 3.1.1 温度采集电路...............................................8 3.1.2 AD转换电路.................................................8 3.1.3 单片机电路.................................................10 3.1.4 显示电路...................................................14 3.1.5 电源电路...................................................16 3.2 软件系统设计.................................................16 3.2.1 主程序设计.................................................16 3.2.2 AD转换程序.................................................17 3.2.3 温度采样...................................................18 3.2.4温度标度转换算法...........................................19 3.3 特殊元器件介绍..............................................22 4 总结.............................................................24 参考文献.........................................................25 附录.............................................................26
1 绪论
1.1 简介 当代社会温度检测系统被广泛应用于社会生产、生活的各个领域。业、环境检测、医疗、家庭等多方面均有应用。同时单片机在电子产品中的应用 已经越来越广泛。
在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。目前温度测量系统种类 繁多功能参差不齐。有简单的应用于家庭的如空调电饭煲、太阳能热水器 电冰箱等家用电器的温度进行检测和控制。采用AT89C51单片机来对温度进行 控制不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点而且可以大幅度提高被 控温度的技术指标从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点为自动化和各个测控领域中广
在工 泛应用的器件在日常生活中成为必不可少的器件尤其是在日常生活中发挥的 作用也越来越大。因此单片机对温度的控制问题是一个日常生活中经常会遇到 的问题。
本论文以上述问题为出发点设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。以AD590为采集器AT89S51为处理器空调相应电路为执行器来完成设计任务 提出的温度控制要求。设计过程流畅所设计的电路单元较为合理。该设计在硬 件方案设计单元电路设计元器件选择等方面较有特色。1.2 温度控制系统的国内外现状 通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制
系统很多而且方案灵活且应用面比较广可用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉在生活当中的应用也比较广泛如热水器室温控制农业中的大棚温 度控制。以上出现的温度控制系统产品根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。选出其中具有代表性的几种如下
1.虚拟仪器温室大棚温度测控系统在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度
测控系统是一种比较智能经济的方案适于大力推广改系统能够对大棚内的 温度进行采集然后再进行比较通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进 行分析如果超过温度限制温度报警系统将进行报警来通知管理人员大棚内 的温度超过限制大棚内的温控系统出现故障从而有利于农作物的生长提高 产量。本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况从
而进行控制。该系统LabVIEW虚拟仪器编程通过对前面板的设置来显示温室大 棚内的温度并进行报警进而对大棚内温度进行控制。该系统有单片机温度
传感器串口通信和计算机组成。计算机主要是进行编程对温度进行显示、报警和控制等温度传感器是对大棚内温度进行测量显示单片机是对温度传 感器进行编程去读温度传感器的温度值并把半温度值通过串口通信送入计算 机串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里起到传输作用。2.电烤箱温度控制系统
该方案采用美国TI公司生产的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F123 为核心器件通过热电偶检测系统温度用集成温度传感器AD590作为温度测量 器件利用该芯片内置的比较器完成高精度AD信号采样根据温度的变化情况 通过单片机编写闭环算法从而成功地实现了对温度的测量和自动控制功能。其 测温范围较低,大概在0-250之间具有精度高相应速度快等特点。3.小型热水锅炉温度控制系统
该设计解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热耗煤量大浪费人
力温度变化大的问题。设计方案硬件方面采用MCS-51系列8031单片机为核心 扩展程序存储器2732 AD590温度检测元件测量环境温度和供水温度ADC0809 进行模数转换同向驱动器7407、光电耦合器及9103的功放完成对电机的控制。软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。本系统硬件电路简单,软件程序 易于实现。它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制,可使居室温度基 本恒定,节煤,节电,省人力。1.3 温度控制系统方案 结合本设计的要求和技术指标通过对系统大致程序量的估计和系统工作速
度的估计考虑价格因素。选定AT89S51单片机作为系统的主要控制芯片8 位模数转换器AD0804采用AD509进行温度采集温度设定范围为-10℃~ 45℃ 通过温度采集系统对温度进行采集并作A/D转换再传输给单片机。以空调 机为执行器件通过单片机程序完成对室内温度的控制。1.4 论文的主要任务和所做的工作 本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示、温度控制于一体的单片机温度控制系统的理论设计。包括硬件电路和主要的软件 设计。
研究的关键问题是室温的精确测量温度采集器AD590温度控制电路设 计单片机与A/D转换电路、显示电路以及软件设计。
根据本设计所要完成的任务本论文完成了如下工作 1介绍了研究和设计的背景和意义调查并综述了当前温度控系统市场的国内外 现状 提出了符合设计要求的高精度温度控制系统方案并阐述了其工作原理。3 完成了硬件电路的设计它包括温度采集系统电路包含89S51单片机模数 转换器ADC0804等芯片的接口电路通过AD590实现的温度控制采集电路;键盘接口和LED显示电路。基本完成了软件部分设计它包括主程序流程图A/D转换子程序显示子程 序主程序清单。2设计方案以及论证
2.1设计方案 经过查阅国内外相关资料现代工业控制的温度采集系统虽然传感器种类不 同但总体框架比较类似。通过仔细比较绘制出整体框架图如下
2.2 温度传感部分 方案1 基于PTC或NTC电阻的设计
热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由
半导体陶瓷材料组成 利用温度引起电阻变化。若电子和空穴的浓度分别 为n、p迁移率分别为μn、μp则半导体的电导为
σ=qnμn+pμp
因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数所以电导是温度的函数 因此可由测量电导而推算出温度的高低并能做出电阻-温度特性曲线这 就是半导体热敏电阻的工作原理
热敏电阻包括正温度系数PTC和负温度系数NTC热敏电阻以 及临界温度热敏电阻CTR。
使用热敏电阻设计而成的温度检测系统利用“惠更斯”电桥提取出 温度的变化然后通过高共模抑制比的仪表放大器将信号放大把模拟信 号信号送入模数转换电路进行模拟到数字信号的转变从而将信号送入单 片机进行处理最终由数码管显示出当前的温度值。整体框图如下 但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差不适用于检测小于1 ℃的信号而
且线性度很差不能直接用于A/D转换应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。
方案2
采用集成温度传感器如常用的AD590和LM35。
AD590是电流型温度传感器。这种器件是以电流作为输出量指示温度其典 型的电流温度敏感度是1μA/K.它是二端器件使用非常方便作为一种高阻电 流源他不需要严格考虑传输线上的电压信号损失噪声干扰问题因此特别适合 作为远距测量或控制用。另外AD590也特别适用于多点温度测量系统而不必 考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。
由于采用了一种独特的电路结构并利用最新的薄膜电阻激光微调技术校 准使得AD590具有很高的精度。并且应用电路简单便于设计。
方案选择选择方案2。理由电路简单稳定可靠无需调试与A/D连接 方便。2.3 A/D转换部分 模/数转化器是一种将连续的模拟量转化成离散的数字量的一种电路或器件 模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。针对不同 的采样对象有不同的A/D转换器ADC可供选择其中有通用的也有专用的。有些ADC还包含有其他功能在选择ADC器件时需要考虑多种因素除了关键参 数、分辨率和转换速度以外还应考虑其他因素如静态与动态精度、数据接口 类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的问题。ADC按功能划分可分为直接 转换和非直接转换两大类其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类 型。
A/D转换器在实际应用时除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和
多路模拟开关等电路外还应根据实际选择的具体芯片进行模拟信号极性转换等 的设计。
方案1采用分级式转换器这种转换器采用两步或多步进行分辨率的闪烁 式转换进而快速地完成“模拟-数字”信号饿转换同时可以实现较高的分辨 率。例如在利用两步分级完成n位转换的过程中首先完成m位的粗转换然后 使用精度至少为m位的数/模转换器ADC将此结果转换达到1/2的精度并且与 输入信号比较。对此信号用一个k位转换器k+m<=n转换最后将两个输出结 果合并。
方案2采用积分型A/D装换器如ICL7135等。双积分型A/D转换器转换 精度高但是转换速度不太快若用于温度测量不能及时地反应当前温度值 而且多数双击分型A/D转换器其输出端多不是而二进制码而是直接驱动数码管 的。所以若直接将其输出端接I/O接口会给软件设计带来极大的不方便。方案3采用逐次逼近式转换器对于这种转换方式通常是用一个比较输 入信号与作为基准的n位DAC输出进行比较并进行n次1位转换。这种方法类 似于天平上用二进制砝码称量物质。采用逐次逼近寄存器输入信号仅与最高位 MSB比较确定DAC的最高位DAC满量程的一半。确定后结果0或1 被锁存同时加到DAC上以决定DAC的输出0或1/2。
逐次逼近式A/D转换器如ADC0804、AD574等其特点是转换速度快精 度也比较高输出为二进制码直接接I/O口软件设计方便。由于ADC0804 设计时考虑到若干种模/数转换技术的优点所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、智能仪器和机床控制等应用场合并且价格低 廉降低设计成本。
方案选择选择方案3。理由用ADC0804采样速度快配合温度传感器应 用方便价格低廉降低设计成本。 2.4 数字显示部分 通常用的LED显示器有7段或8段“米”字段之分。这种显示器有共阳极和
共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起通常此公共阴 极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时发光二极管点亮相应的段被显 示。同样共阳极LED显示器的工作原理也一样。方案1采用静态显示方式。在这种方式下各位LED显示器的共阳极或 共阴极连接在一起并接地或电源正每位的段选线分别与一8位的锁存器 输出相连各个LED的显示字符一旦确定相应锁存器的输出将维持不变直到 显示另一个字符为止正因为如此静态显示器的亮度都较高。若用I/O口接口 这需要占用N*8位I/O口LED显示器的个数N。这样的话如果显示器的个数 较多那使用的I/O接口就更多因此在显示位数较多的情况下一般都不用静 态显示。
方案2采用动态显示方式。当多位LED显示时通常将所有位的段选线相应 的并联在一起由一个8位I/O口控制形成段选线的多路复用。而各位的共阳 极或共阴极分别有相应的I/O口线控制实现各位的分时选通。其中段选线占用 一个8位I/O口而位选线占用N个I/O口N为LED显示器的个数。由于各 位的段选线并联段码的输出对各位来说都是相同的因此同一时刻如果各 位选线都处于选通状态的话那LED显示器将显示相同的字符。若要各位LED 能显示出与本为相同的字符就必须采用扫描显示方式即在某一时刻只让某 一位的位选线处于选通状态而其他各位的位选线处于关闭状态同时段选线 上输出相应位要显示字符的段码。
方案选择选择方案2。理由非常节约I/O口亮度高节约CPU的使用 率。3 电路设计
3.1 硬件系统设计 3.1.1 温度采集电路
温度采集系统主要由AD590、AD620组成如图所示 选用温度传感器AD590AD590具有较高精度和重复性重复性优于0.1℃ 其良好的非线形可以保证优于0.1℃的测量精度利用其重复性较好的特点通
过非线形补偿可以达到0.1℃测量精度。由AD590采集到的温度信号通过AD620, 一款低功耗、高进度的仪表放大器进行线性放大在AD620的外部只需要通过 一只电阻即可将放大倍数从1-1000倍进行调整。在本电路系统中我们需要将 输出最大值和最小值调整在0-5V之间便于A/D进行转换以提高温度采集电 路的可靠性。
集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵 敏度一般为10mV/K温度0℃时输出为0温度25℃时输出为2.982V。电流输 出型的灵敏度为1 μA/K。这样便于A/D转换器采集数据。3.1.2 AD转换电路 在学习和实验过程当中对于AD转换芯片通常使用美国国家半导体公司
生产的AD0809芯片进行模拟信号到数字信号的转换。AD0809相关资料齐全 使用广泛但是对于本设计略显奢侈AD0809可以同时转换8路模拟输入但 本设计中只需要转换一路模拟输入。因此我放弃使用AD0809转而使用美国 国家半导体公司的同类产品AD0804一款与AD0809同类型的模数转换芯片。在达到系统要求的同时降低了电路的成本减小了电路的体积简化了电路的 复杂程度。 用单片机控制ADC时多数采用查询和中断控制两种方式。查询法是在单片
机把启动命令送到ADC之后执行别的程序同时对ADC的状态进行查询以检 查ADC变换是否已经完成如查询到变换已结束则读入转换完毕的数据。中断 控制是在启动信号送到ADC之后单片机执行别的程序。当ADC转换结束并向单 片机发出中断请求信号时单片机响应此中断请求进入中断服务程序读入转 换数据并进行必要的数据处理然后返回到原程序。这种方法单片机无需进行 转换时间管理CPU效率高所以特别适合于变换时间较长的ADC。本设计采用 查询方式进行数据收集。由于ADC0804片内无时钟故运用8051提供的地址锁 存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时 钟频率的1/6如果时钟频率为6MHz,则ALE信号的频率为1MHz经二分频后为 500kHz与AD0804时钟频率的典型值吻合。由于AD0804具有三态输出锁存器 故其数据输出引角可直接与单片机的总线相连。并将A/D的ALE和START脚连在 一起以实现在锁存通道地址的同时启动ADC0804转换。启动信号由单片机的写 信号和P2.7经或非门而产生。在读取转换结果时用单片机的读信号和P2.7 经或非门加工得到的正脉冲作为OE信号去打开三态输出锁存器。根据所选用的 是查询、中断、等待延时三种方式之一的条件去执行一条输入指令读取A/D 转换结果。
ADC0804是一个8位逐次逼近的A/D转换器。AD0804的转换时间为100μs。在CPU启动A/D命令后便执行一个固定的延时程序延时时间应略大于A/D 的转换时间延时程序一结束便执行数据读入指令读取转换结果。本设计选 用Motorola公司的基准源TL431产生参考电压2.50V即一位数字量对应10mV 即1℃。所以用起来很方便。具体电路如下
3.1.3 单片机电路 单片微型计算机简称单片机。它在一块芯片上集成了各种功能部件中央处
理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计数器和各 种输入/输出I/O接口如并行I/O口、串行I/O口和A/D转换器等。它们 之间相互连结构成一个完整的微型计算机。
单片机的发展经历了四个阶段第一阶段19711974年主要是美国INTEL 公司从早先的第一台MCS-4微型计算机到后来功能较强的8位微处理器
Intel8008和FAIRCHILD公司的F8微处理器。这些微处理器虽说还不是单片机 但从此拉开了研制单片机的序幕。第二阶段19741978初级单片机阶段 以INTEL公司的MCS-48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU并行I/O 口8位定时器/计数器寻址范围不大于4K且无串行口。第三阶段1978 1983高性能单片机阶段。在这一阶段的单片机普遍带有串行口多级中断处 理系统和16位定时器/计数器。片内ROMRAM容量加大且寻址范围可达64K 字节有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有INTEL公司的MCS-51 MOTOROLA公司的6801和ZILOG公司的Z8等。其中MCS-51系列产品由于其优 良的性能价格比特别适合我国的国情MCS-51系列单片机有可能稳定相当一
段时期。现在国内的MCS-51热正在升温随着我国经济建设步伐的加大MCS-51 系列单片机必将在各个领域大显身手。第四阶段1983现在8位单片机巩 固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专
用单片机另一方面不断完善高档8位单片机改善其结构以满足不同用户的 需要。
MCS-51系列属高档单片机近年来INTEL公司在提高该系列产品性能方面 做了不少工作相继推出了不少新产品8052/8752/8032、低功耗的CHMOS工艺 芯片80C51/87C51/80C31、具有高级语言编程的芯片8052AH-BASIC、高性能的 C252系列等。在本次设计中我们采用了MCS-51系列中的89C51来完成产品的CPU 的功能。
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压高性能CMOS8位微 处理器俗称单片机。89C2051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MCS-51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89C51 是一种高效微控制器89C2051是它的一种精简版本。89C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。
89C51的主要特性有与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命
1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0Hz-24Hz三级程序存储 器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个
中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路。下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能 1 主电源引脚VCC和GND VCC40脚接+5V电压。GND20脚接地。
2 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1 和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器 ,就构成了内部
振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器当外接晶振后就构成了 自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
3 控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD当振荡器运行时在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单 片机复位。在此引脚与VSS引脚之间连接一个约10KΩ的下拉电阻与VCC引 脚之间连接一个约10μF的电容可以保证可靠地复位。VCC掉电期间此引脚 可接上备用电源以保持内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于 规定的电平而VPD在其规定的电压范围5土0.5V内VPD就向内部RAM 提供备用电源。ALE/PROG当访问外部存储器时ALE允许地址锁存的 输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器ALE端仍然以不变的 频率周期性地出现正脉冲信号此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对 外输出的时钟或用于定时目的。然而要注意的是每当访问外部数据存储器时 将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动吸收或输出电流8个LS型的TTL 输入电路。对于EPROM型的单片机如8751在EPROM编程期间此引脚 用于输入编程脉冲PROG。PSEN此脚的输出是外部程序存储器的读选通 信号。在从外部程序存储器取令或常数期间每个机器周期两次PSEN有效。
但在此期间每当访问外部数据存储器时这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动吸收或输出8个LS型的TTL输入。EA/VPP当EA端
保持高电平时访问内部程序存储器但在PC程序计数器值超过0FFFH对 8051/8751/80C51或1FFFH对3052时将自动转向执行外部程序存储器内 的程序。当EA保持低电平时则只访问外部程序存储器不管是否有内部程序 存储器。对于常用的8031来说无内部程序存储器所以EA脚必须常接地 这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型的单片机如8751在EPROM 编程期间此引脚也用于施加21伏的编程电源VPP。4 输入/输出I/0引脚P0、P1、P2、P3共32根 P0口39脚--32脚是双向8位三态I/O口在外接存储器时与地址总 线的低8位及数据总线复用能以吸收电流的方式驱动8个LS TTL负载。P1 口l脚--8脚是8位准双向I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态输入 也不能锁存故不是真正的双向I/O口。能驱动吸收或输出电流4个LS TTL 负载。对8052、8032 P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入P1.1 引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发即T2的外部控制端。对EPROM编
程和程序验证时它接收低8位地址。P2口21脚--28脚是8位准双向I/O 口。在访问外部存储器时它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。
在对EPROM编程和程序验证期间它接收高8位地址。P2可以驱动吸收或 输出电流4个LS TTL负载。P3口l0脚--17脚是8位准双向I/O口在 MCS-51中这8个引脚还用于专门功能是复用双功能口。P3能驱动吸收或 输出电流4个LS TTL负载。作为第一功能使用时就作为普通I/O口用功 能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时各引脚的定义如表3.1所示。值得强调的是P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二 功能。P3口的第二功能定义 口线
引脚 第二功能 P3.0 10 RXD串行输入口 P3.1 11 TXD串行输入口 P3.2 12 INT0外部中断 0
P3.3 13 1 INT外部中断1 P3.4 14 T0 定时器0外部输入 P3.5 15 T1 定时器1外部输入
P3.6 16 WR外部数据存储器写脉冲
P3.7 17 RD外部数据存储器读脉冲
3.1.4 显示电路
显示电路采用锁存器74HC573和数码管组合的方式进行显示温度数值。数码管是单片机应用电路中常用的显示器件。每个数码管由8个发光二极管组 成。数码管有共阴极和共阳极两种类型。共阴极数码管内部8个二极管的阴极被 连接在一起和引脚com相接在使用是引脚应接低电平当数码管其余的某个引 脚接高电平则相应的发光二极管被点亮。共阳极数码管com端应接高电平当 数码管其余的某个引脚接低电平则相应的发光二极管被点亮。在使用过冲当中 我们需要在每个数码管的每一位段选上串联电阻限制导通电流来保证发光二极 管不被烧坏。本设计中选用共阳极数码管。a共阴数码管原理图 b共阳数码管原理图 1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dp9GND a bf c g d e dp a bf c g d e VCC1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dp dp9 c共阴数码管电路符号图 d共阳数码管电路符号图 锁存器
74HC573是一款高速低功耗TTL锁存器它能够锁存8位数据最高锁存17ns 变化的数据。本设计中使用一组I/O口用来传送数码管的段选同时使用该组 I/O口的高四位传送位选。这样一来可以大大提高I/O口的使用效率。同时 使用另外两个I/O口控制两个锁存器的锁存端是能段来控制锁存器的工作。关于74HC573的锁存使用说明如下图
显示总体电路如下
3.1.5 电源电路
一个优秀系统中的电源电路极为重要电源的好坏可以直接影响整机的工 作。本设计中采用线性稳压系统提供信号处理电路所需的正负15V电压和单片 机、数字电路、数码管所需的5V电压。电源系统的设计原理是通过工频变压器 将市电220V 50Hz的交流电变为双13V 50Hz的低压交流电再通过全桥整流变 为脉动的正电压经过电容滤波、78、79系列线性稳压芯片稳压最终输出稳 定的+15V、-15V和+5V直流电压供系统相应电路模块使用。电源部分电路图如下所示
3.2 软件系统设计 本系统的单片机程序使用C语言编写相比汇编语言C语言具有使用灵
活、移植性强、易于上手、方便使用、可完成高级功能等特点。3.2.1 主程序设计 程序启动后首先清理系统内存然后进行采集并通过A/D转换后传输
到单片机再由单片机控制显示设备显示现在的温度然后系统进入待机状态 等待再次检测温度。
3.2.2 AD转换程序
89S51给出一个脉冲信号启动A/D转换后ADC0809对接受到的模拟信号进 行转换这个转换过程大约需要100μs,系统采用的是固定延时程序所以在预 先设定的延时后89S51直接从ADC0809中读取数据。
主程序开始 采集温度 查询温度 调A/D程序
调显示程序 要控制温度
键盘输入设定值 和设定值比较 启动加热/降温
温度采集和比较 与设定值相等
是 N 否 是
否
3.2.3 温度采样
采样子程序流程图如图所示。
A/D入口 启动
A/D转换 查询EOC 读取转换数据 压缩BCD码 作未压缩处理
整理好的十位和个位 分别存入某地址单元
子程序结果
3.2.4温度标度转换算法
A/D转换器输出的数码虽然代表参数值的大小但是并不代表有量纲的参数
值必须转换成有量纲的数值才能进行显示标度转换有线性转换和非线性转换 两种本设计使用的传感器线性好在测量的量程制内基本能与温度成线性关系。温度标度转换程序TRAST目的是要把实际采样的二进制值转换的温度值
转换成BCD形式的温度值。对一般的线性仪表来说标度转换公式为 AX=0A+)AA0 mNN NN0 m 0X
式中0A为一次仪表的下限 Am为一次量程仪表的上限为实际测量值工程量为仪表下限所对应的数字量 Nm为仪表上限所应的数字量 NX为测量所得数字量。例如若某热处理仪表量程为200—800℃在某一时刻计算机采样得到的 二进制值U(K)=CDH则相应的温度值为 采样值起始地址送 R0 采样次数送R2 启动AD590 延时
A/D完成 所有采样结束 返回 Y N N AX=0A+)AA0 mNN NN0 m 0X=200+800-200255205=682℃
根据上述算法只要设定热电偶的量程则相应的温度转换子程序TARST
N0 很容易编写只要把这一算式变成程序将A/D转换后经数字滤波处理后的值代 入即可计算出真实的温度值。具体算法如图所示。 保护现场 R0←Am, R1 ←0A 计算 NX-N0 R0←Nm, R1 ←N0 计算 Am-0A 计算)AA0 m/NN0m R0←NX, R1 ←N0 计算 Nm-N0 计算)AA0 mNN NN0 m 0X
R2—0A AX=0A+)AA0 mNN NN0 m 0X
DATA←AX 返 回 3.3 特殊元器件介绍 温度传感器AD590 简介
AD590温度传感器是一种已经IC化的温度传感器它会将温度转换为电流 其规格如下
1、温度每增加1℃它会增加1μA输出电流
2、可测量范围为-55℃至150℃ 3、供电电压范围为+4V至+30V AD590的输出电流值说明见表。
其输出电流是以绝对温度零度-273℃为基准温度每增加1℃它会增
加1μA输出电流因此在室温25℃时其输出电流Iout=273+25=298μA。AD590温度与电流的关系 温度与电流的关系 摄氏温度 AD590电流 经10KΩ电压 0℃ 273.2 uA 2.732V 10℃ 283.2 uA 2.832 V 20℃ 293.2 uA 2.932 V 30℃ 303.2 uA 3.032 V 40℃ 313.2 uA 3.132 V 50℃ 323.2 uA 3.232 V 60℃ 333.2 uA 3.332 V 100℃ 373.2 uA 3.732 V 主要特性如下
1 流过器件的电流mA等于器件所处环境的热力学温度开尔文度 数
2AD590的测温范围为-55℃+150℃。
3AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化 电流变化1mA相当于温度变化1℃。AD590可以承受44V正向电压和20V反向 电压因而器件反接也不会被损坏。4输出电阻为710MΩ。
5精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档其中M档精度最高在-55℃ +150℃范围内非线性误差为±0.3℃。 AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均
温度的具体电路广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好常用于测温和热电偶的冷端补 AD590实际应用电路举例 分析
1AD590的输出电流I=273+TμAT为摄氏温度因此测量的电压 V为273+TμA×10K=2.73+T/100V。为了将电压测量出来又务须使输出 电流I不分流出来我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。2由于一般电源供应教多器件之后电源是带杂波的因此我们使用齐 纳二极管作为稳压组件再利用可变电阻分压其输出电压V1需调整至2.73V 3接下来我们使用差动放大器其输出Vo为100K/10K×V2-V1=T/10 如果现在为摄氏28℃输出电压为2.8V输出电压接AD转换器那么AD转换 输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均
温度的具体电路广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好常用于测温和热电偶的冷端补偿。4 总结 AT89C51单片机体积小重量轻抗干扰能力强对环境要求不高价格
低廉可靠性高灵活性好本文的温度控制系统只是单片机广泛应用于各行 各业中的一例。
设计实现了温度实时测量、显示。本设计温度控制电路具有较高的抗干扰性 实时性方案具有较高的测量精度温度控制实时性更高。在设计过程中首先 在老师的指导下熟悉了系统的工艺进行对象的分析按照要求确定方案。然后 进行硬件和软件的设计。通过设计使我掌握了微型机控制系统I/O接口的使用方 法模拟量输入/输出通道的设计常用显示程序的设计方法数据处理及线性 标度技术基本算法的设计思想。
在做毕业设计之前我对单片机的基本知识了解甚少而C语言虽是接触过 可是没有具体的设计和编辑过所以花了大量的时间去做准备工作。在老师的指 导和帮助下克服了一系列困难终于完成了本设计基于本人能力有限该设计 还有许多不足之处有待改进。
参考文献 [1]钱聪.电子线路分析与设计[M].西安:陕西人民出版社,2000.[2]谈文心,钱聪,宋云娴.模拟集成电路原理与应用[M].西安:西安交通大学出版 社,1994.[3]孙肖子 ,邓建国,陈南钱聪.电子设计指南[M].西安:高等教育出版社,2006.[4]HAN Zhi-jun Liu Xin-min.DIGITAL TEMPERATURE SENSOR DS18B20 AND ITS APPLICATION [J].Nanjing: Journal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition).2003 [5]SHEN Li-li,CHEN Zhong-rong.Design of Multi-Channel Test System of Measuring Temperature for Grain Storage Based on CPLD and DS18B20[J].Nanjing: Nanjing University of Information Science & Technology.2008 [6]You Guanjun Hu Yihua Liu Shenlong Zhao Tianxiang.THE CIRCUITRY OF AD590 IC TEMPERATURE SENSOR AND THE APPLICATION IN TEMPERATURE MEASUREMENT AND CONTROL[J].COLLEGE PHYSICAL EXPERIMENT,2000.[7]张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法[J].电子技术应用 1993第一期.[8]高峰.单片微型计算机与接口技术[M].北京:科学出版社2003 [9]刘伟,赵骏逸,黄勇.一种基于C8051单片机的SOC型数据采录的设计与实现 [A].天津:天津市计算机协会单片机分会编 2003 [10]何立民.单片机高级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000 [11]李元.数字电路与逻辑设计[M].南京:南京大学出版社,1997 [12]苏丽萍.电子技术基础[M].西安:西安电子科技大学,2006 [13]徐江海.单片机实用教程[M]:机械工业出版社,2003 [14]谢文和.传感器技术及其应用[M]:高等教育出版社,2004 [15]孟立凡,蓝金辉.传感器原理与应用[M].电子工业出版社,2000 [16]江晓安.模拟电子技术 第二版[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004
附录 单片机应用程序 #include
远程监控温度传感器 篇3
Catalyst半导体公布首款温度传感器产品线新产品。新推出的CAT6095是一款采用超薄0.55mmUDFN封装的12位数字输出式温度传感器，特别适用于DDR3内存模组，此类内存被广泛应用于高速PC和笔记本电脑，环境控制系统和工业控制处理设备。相比标准的2mmx3mmx0.8mm TDFN封装，UDFN封装在体积缩小30%的基础上提供更精确的温度侦测。
CAT6095遵循JEDEC规范JC42.4规格，在 -20℃～+125℃温度区间误差为±3℃，而在+75℃～ +95℃ 这一温度区间提供了误差仅为±1℃的精度，此特性涵盖器件的整个工作电压范围（3.0V～3.6V）。CAT6095大约每秒钟测量/记录温度10次，并与存储在内部寄存器中的３个触发阈值相比较，主机可通过I2C/SMBus接口读取温度值，开漏（open-drain）结构的事件（EVENT）引脚则可以输出温度高过或低过阈值的状态信号。
除了提供节省空间的2mmx 3mmx0.55mmUDFN封装，CAT6095还提供标准的2mmx3mmx 0.8mmTDFN封装。两种封装都包含了底部金属脚垫来加强PCB板的热传导并能实现更快的温度侦测。
远程监控温度传感器 篇4
关键词：电力电缆,温度实时监控系统,分布式光纤传感器
随着智能电网建设的开展,配电网电缆化率的程度将越来越高,利用新型传感与测量技术对智能配电网中电缆运行相关信息监控的集成已成趋势。分布式光纤测温传感器(DTS)作为一项新型的传感技术,已经在电力系统中得到应用。采用分布式光纤测温技术的电缆温度实时监控系统,对电缆全线监测得到电缆表面各点的实时温度进行计算得出导体温度,从而建立相应的负荷温度曲线图,实现对电缆运行温度的监控。
1 电缆温度实时监控系统设计及实施
电缆温度实时监控系统采用浏览器/服务器端(B/S)模式,具有开放性和可扩充性强、更新速度快和响应及时、维护和升级方便等特点,满足了系统的安全性需求。温度监控数据在局域网内共享,客户端通过浏览器来访问。
1.1 系统方案设计
利用分布式光纤测温传感器获取电缆实时温度数据,通过变电站自动化系统按照标准循环远动规约(CDT)读取电缆线路的实时电缆数据,运用电缆安全监控系统(CSM)软件构建电缆回路(DCR)模型,实现电缆在线温度监测和负荷监控的功能。
电缆温度实时监控系统原理如图1所示。
1.2 系统方案实施
1) DTS测温主机采用Windows
2000操作系统,设置在变电站内,其空间分辨率和采样间隔均为2.0318 m,监测点数量达到114个。
2) 测温光缆全长4 070
m,为全介质光缆,其结构是两芯测温光纤、聚对苯三甲酸丙二酯(PPT)内护套、纺纶加强阻燃外护套。
3) CSM主机采用DELL Optiplex
330计算机两台,其中一台为备用机;一台为短消息发送机(包括一张SIM卡),用于发送警报短信。
2 电缆温度实时监控系统功能特点
1) 显示界面清晰。
可将现场监测各点的温度及电缆负荷数据等信息(包括工井、电缆桥、电缆实时温度、电缆线路的实时负荷电流值等)在同一界面上显示,一目了然。
2) 二维显示地理信息。
系统建立与地理信息系统(GIS)的接口,导入电缆线路、工井及光纤的地理信息。将GIS平面数据进行整合,将电缆线路、工井位置及光纤位置对应,将测量坐标映射到实际地理位置,通过地图上的相关参照物,可以准确定位工井位置,并迅速定位到工井内的具体电缆线路。
3) 三维显示工井空间位置。
根据实测数据和相应照片,定位关键点,对具体工井建立完全逼真的虚拟环境,将工井相对位置及关联数据全方位、多角度显示,实现空间位置的三维呈现,全面、真实地再现了现场情况,有效地弥补了平面地理信息的不足,可以实现最佳视角查看;通过放大或缩小,可以十分方便地观测工井的整体情况和局部位置。
4) 系统报警及处理。
在设置好各类报警级别和相应阈值之后,系统会自动根据实时数据提供报警信息,并在相应位置弹出警告框并以各种方式通知用户。在报警处理时,直接从系统中迅速定位到某根电缆、某个工井、某个位置,极大地提高了定位的准确性和及时性,并建立报警信息的浏览、查询和分析机制。
5) 建立负荷温度响应曲线。
运用电缆安全监控系统软件,将实时监测的各电缆表面温度利用DCR模型计算出导体温度,再将温度曲线及负荷曲线关联起来,形成负荷温度响应曲线。
6) 分析电缆负荷温度数据。
根据电缆现场环境因素建模,通过数字仿真技术与IEC标准相结合,实现短时应急负荷和中长期安全载流量计算,分析评估重要电缆线路的负荷能力、环境特征和使用状态,为电力调度及规划提供数据支撑,实现智能分析。
3 结语
通过基于DTS的电缆温度实时监控系统,实现了上海市电力公司市南供电公司三庄变电站35 kV电力电缆实时温度、负荷的监控,实现了对电力电缆温度与负荷的深度分析,为夏季及冬季高峰用电时的电缆峰值提供了调度依据,确保了电缆的安全运行。电缆温度监控数据图形化、直观化的实时显示,满足了对监控系统的要求,为智能电网建设提供了基础条件。
参考文献
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[4]严有祥,苏雪源,肖传强.电力电缆表面温度监控和实时载流量计算系统[J].供用电,2008(5).
用一个元件制作的数字温度传感器 篇5
一、LM35D集成温度传感器的原理
LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例关系的温度传感器，当温度在-50~+150℃变化时，它能以10MV/℃的线性变化输出与摄氏温度成正比的电压量，实现温度到电压的转换。在本次教学中，采用单电源接法，它可以实现0~+150℃的测温，对应的电压输出为0~1.5V。LM35D的工作电压为4~30V，精度为±1℃，最大线性误差为±0.5℃，静态电流为80uA，它的输出电阻很低，约0.1，具有良好的带负载能力，LM35D的外形如塑封三极管（TO-92）。
二、与万用表连接制作数字温度计
了解LM35D集成温度传感器的原理之后，我们开始动手制作数字温度计。
1.元件准备
LM35D集成温度传感器一只，红色、黑色、黄色导线共三根，三位半数字万用表一只、烙铁一个、热缩管若干，教学用学生电源一只，烧开的热水一杯，150℃的酒精温度计一只。
2.制作过程
在LM35D的三个管脚上分别焊接红色、黑色和黄色导线，导线长度大概为10cm，引脚导线外套套管（热缩管）。要求：按照红色接电源正、黑色接电源负、黄色为信号线焊接。将学生电源调到6V档位，接入LM35D的1号引脚，2号引脚接数字万用表的输入端红表笔表使用2V直流电压测量档，万用表黑表笔和电源地共地。
3.测量过程
连接好线路后，现在数字万用表上显示的就是室温；用手握住LM35D，可以测量人手的温度，大约为32℃左右，不同的元件会有1℃左右的偏差。。
在LM35D放入热水烧杯中，测量热水的温度。同时放入酒精温度计，比较下LM35D的测量准确性。
三、外接数字表头的温度计
通过外接万用表熟悉LM35D温度传感器的使用之后，40分钟左右的课堂时间已经不太富裕了，有些基础比较好的同学做得快，所以我准备了几个数字显示表头让这些学生根据表头显示连接温度计，如：HB3185超小型三位半数字面板表。
HB8135A型数字面板表具有线性好，温漂小，输入阻抗高，工作稳定等优点，自锁面框安装方便，占用面板面积更小，结构更紧凑。广泛应用于各种仪器仪表、机电设备的电压、电流等参数的数字化显示方面。
HA8135的测量输入范围为0~20V，显示量程为0~19.99，+5V电源供电，接口为4路，分别为5V、GND、IN+、IN-，分别是5v电源正负端，输入信号正负端；将LM35D的2号脚信号直接接入输入信号端，接入电源，即可在面板上显示当前测量温度。
四、总结
远程监控温度传感器 篇6
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
远程监控温度传感器 篇7
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
[1]吕宗岩.分布式光纤温度传感器的系统设计[D].秦皇岛:燕山大学,2006.
[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).
轿车温度传感器分析 篇8
1 轿车温度传感器常见类型
常见的有热敏电阻式、热电偶式、铂电阻式、整体硅器件式和双金属片式五种。
1.1 热敏电阻式
该传感器按其温度与电阻变化特性的不同可分为三种:正电阻温度系数 (PTC) 、负电阻温度系数 (NTC) 以及高温传感器 (CTR) 。热敏电阻部件通常由2至3种金属氧化物混合在粘土中, 在高温锻烧成为致密烧结陶瓷组成的半导体陶瓷, 其电阻值取决于基本材料电阻率、几何形状以及电极接触面积, 工作温度范设计为-40~150℃, 主要检测水温和进气温度;也可设计为60~1000℃, 主要检测排气温度。
PTC由钦酸钡等制成, 其电阻值随温度升高而变大, 且在临界温度时发生剧变。通常利用这种特性, 将其制成防热控制开关。PTC在轿车上应用较少, 较常见有车厢底板温度传感器, 其通常与排气温度传感一起组合使用。两者组成过热报警装置系统, 防止底板温度大于125℃, 排气温度大于900℃。
NTC由锰、铁、钻、镍等过渡金属的氧化物制成, 其阻值与温度成反比。此类型应用较广, 可检测进气、冷却水、车内外温度甚至排气温度, 其工作原理也大致相同。
CTR由氧化钒等制成。其具有负温系数, 且电阻在特定温度点时会产生3~4个数量级的急剧变化。通常被制成控制开关。
1.2 热电偶式
该传感器是由2种不同金属线, 连接两端而形成环路。使用时将两根金属线的链接处一端置于被测点上, 另一端保持在恒定的已知温度中, 这时电路中的电流会与温差成比例。以前已知温度一端是浸在冰水混合物保持零度, 现在是进行电子补偿。热电偶缺点是信号较低, 引线过长会影响精度, 优点是耐高温, 制作简单, 因此得以广泛应用。
1.3 铂电阻式
铂温度上升, 铂原子的热振动加剧, 电子流动受阻, 电阻升高, 也就是说其温度与电阻呈接近线性变化。先将铂丝拉细, 再将细线涂上绝缘油, 绕在绝缘陶瓷杆上。导线须很细长, 这也导致加工成本较高。另外铂电阴的引线电阻会影响测量精度, 如引线电阻为0.2欧姆, 误差就将接近1℃, 需进行电路补偿。
1.4 硅制式
该传感器利用硅温度与电阻接近线性的变化规律。封装在玻璃二极管内, 成本较低、灵敏度较高, 但其测量温度范围较小, 在-55℃~150℃之间, 常用来作温度补偿功能。
1.5 双金属片式
该传感器由两片金属板粘合而制成的。两片金属板热膨胀系数不一样, 当温度变化时, 金属片会向热膨胀系数小的一侧弯曲, 从而两金属片分开, 实现电路通断。常用作开关使用。
1.6 传感器比较
五种温度传感器特点不同, 其中热敏电阻式的适用范围大, 灵敏度高、属于非线性, 具有负温度系数变化。另外三种传感器则有各自适用的位置, 热电偶适用高温测量, 但其输出信号低, 要求电路调节和冷接点补偿;铂电阻适用精度要求高的场合, 其线性度最好, 但尺寸大, 且制作成本贵。硅类则价格便宜, 线性度略差于铂电阻, 但温度范围较窄。
2 轿车主要温度传感器位置与用途
现代轿车上温度传感器常见有:冷却液温度、进气温度、排气温度、变速器油温、EGR监测温度、车内温度、车外温度、蒸发器出口温度、日照温度、加热器水温、机油温度以及仪表板温度传感器等。主要的温度传感器安装位置与用途具体如表1。
3 轿车的主要温度传感器故障分析
3.1 冷却液温度传感器故障分析
当该传感器短路时, 数据流会显示在100℃以上温度, 导致混合气过稀而无法启动发动机;当断路或搭铁不良故障时, 其数据流会小于-30℃, 将导致混合气过浓, 燃烧不充分, 会不断冒出黑烟来。OBD-Ⅰ系统中, 发动机ECU将该传感器温度设定在-35~120℃, 若超出这范围, ECU可判断其发生故障并出现故障码。当该传感器短路时, 数据流显示温度大于100℃, 如没达到120℃, 就不会留下故障码。OBD-Ⅱ系统中, 通常通过比较那些提供共同信息或相关信息的组合传感器信息进行监控, 进而判断传感器是否有故障。如通过比较冷却液温度传感器和进气温度传感器的启动时间或数据, 进而判断冷却液温度传感器是否有故障。所以在OBD-Ⅱ系统中, 冷却液温度传感器短路后会有故障码出现。结构见图1。
3.2 进气温度传感器故障分析
当该传感器搭铁不良或断路时, 其数据流显示温度很低, 而ECU根据气体温度低导致密度高的原理, 就判断空气量是增加, 因而就增加喷油量, 最后就导致混合气过浓;当传感器短路时, 其数据流呈现温度很高, 就会导致混合气过稀。结构见图1。
3.3排气温度传感器故障分析
如该传感器发生故障, 催化器会因温度高而破坏, 进而尾气排放物没经催化器处理而直接排出;同时, 排气管附近易堵塞, 导致发动机不能正常工作。就车检查时, 当催化器暖机时, 其温度约为400℃, 传感器的标准电阻值为0.4~20kΩ。见图2。
3.4 EGR监测温度传感器故障分析
EGR系统故障常见原因有三种:一是电子控制系统出现故障;二是有沉积物堵塞了管路;三是EGR监测温度传感器出现故障, 见图3。该传感器通过检查其温度与电阻的关系进行检测。拆下传感器并用专用设备加热, 观察其电阻值与温度的关系应符合标准规定值 (如表2) 。
3.5 变速器油温传感器故障分析
该传感器是对变速器的温度进行监控, 安装在变速器控制阀上。以迈腾双离合器变速器为例, 它有G93和G509两个油温传感器。见图4、5。其中G93是对变速器油底壳的油温进行监控, G509是对变速器中离合器的工作油温进行监控。如果因一个离合器打滑而造成电液控制单元油温超过138℃时, 变速器控制单元就会先计算离合器工作油温的超量, 相应地减小发动机输出转矩至怠速上限, 使得离合器不过载, 以实现降温。如油温大于145℃时, G509就会发出高温信号, 控制单元开始过载保护, D位上只有一个失效保护挡。这时就应该更换离合器。如G509短路, 数据流会显示大于150℃, 控制单元开始过载保护, 这时D位上只有一个2挡。
3.6自动空调系统温度传感器故障分析
自动空调系统温度传感器有:蒸发器温度、车外温度、车内温度、制冷剂温控开关、发动机冷却液温度传感器以及日光辐射传感器等。空调控制单元综合这些信号, 设定出吹入车内空气量及其温度, 接着通过控制进出气口转换板、空气混合入口、水阀等, 在人为设定温度附近自动调节, 并自动控制空调的开启和关闭。
温度传感器或温度开关是安装在蒸发器中央的, 其通过控制压缩机的运转来控制蒸发器温度, 以防止蒸发器温度过低而结霜 (即温度小于0℃时, 在蒸发器表面的水分会结霜或结冰, 情况严重时会堵塞蒸发器空气通道, 进而造成制冷效果明显降低) 。为了避免这种情况, 蒸发器温小于0℃时, 空调放大器会切断压缩机电磁离合器的电路。因此, 如蒸发器出口温度传感器发现故障而导致膨胀阀与蒸发器之间管路结霜, 会造成空调出风量小。
如果车外温度传感器端子断路、进水、接地不良或接触不良等, 数据流会显示小于-30℃, 而车外温度高于室内温度是空调系统制冷的条件之一。所以, 故障将导致空调不制冷。
当发动机冷却液温度大于120℃时, 空调会停止工作来实现发动机保护。另外, 发动机冷却液温度传感器断路或接地不良而信号失准时, 散热风扇不工作而导致散热不好, 这时空调也会停止工作。
4 故障检测案例
冷却液的温度是ECU决定喷油量的重要依据之一。现以皇冠3.0 2JZ-GE型发动机冷却液温度传感器的故障案例为例, 介绍该传感器的结构原理及检测方法。
4.1 结构原理
该传感器位于发动机汽缸体左侧前端, 外部靠着动力转向泵, 为热敏电阻式, 具有负电阻温度系数, 传感器热敏电阻为臂桥电阻, ECU内部的温度信号是电桥电路结构, 电桥电路输出的电压信号会随热敏电阻的阻值变化而变化, ECU根据这个信号来控制喷油量。该发动机没有安装冷启动喷油器, 所以, 冷却液温度传感器的作用就很重要了。
4.2 故障检测
温度传感器的故障代码为“22”, 其电路连接如图6所示。如上文所述, 冷却液温度传感器如有故障, 会造成发动机混合气过稀或过浓, 甚至发动机启动困难。当传感器出现故障时, 可做以下检查:
(1) 线路检查
先进行外形观察, 看电线有无明显损坏, 看插接器有无松动或开裂, 再按图6所示的电路图, 可用万用表检查线路是否存在断路、短路或接触不良现象。
(2) 温度—电阻特性的检测
(1) 就车检查。可拔下传感器的插接器, 在发动机不同温度工况下, 用万用表直接测量传感器电阻值, 其大小应符合表3的数据。笔者曾做过一次检测;在发动机。冷态时 (气温约为20℃) , 检测到的传感器电阻值是2.5 kΩ。接着启动发动机到正常工作温度后再熄火, 再次测量时, 其电阻值还是2.5 kΩ, 至传感器的阻值没有发生变化, 说明该传感器出现问题。后来换了传感器后, 故障排除。因为不用拆装传感器, 就车检查更快捷方便, 缺点是不能准确掌握温度, 测量数据容易出现偏差。
(2) 车下检查。熄火后拔下传感器上的线束插接器, 并拆下传感器部件, 如图7所示, 在不同的水温下检测其电阻值的变化, 其结果应符合表3所示。
(3) 冷却液温度传感器电压参数检测
(1) 如图8所示, 打开点火开关, ECU的THW端子与E2端子的电压值应为0.2~1.0V。
(2) 如电压值不在此范围内, 可如图8所示, 打开点火开关, 用万用表一表笔接ECU的+B (+B1) 端子, 另一表笔与车架搭铁, +B的电压值应等于蓄电池端电压, 约为11V~14V;如果不相等, 应对EFI主继电器电路进行检查。
(3) 将万用表一表笔接车身搭铁, 另一表笔接ECU的E1端子。若有电压, 则ECU搭铁不良;若无电压, 说明ECU损坏, 要更换。
在实际维修中, 传感器与ECU的故障率是很低的, 一般都是各线路的接触不良故障。可能是车辆运行中造成线路接触不良, 也可能因维修保养时, 维修人员不小心碰撞所造成的线路损坏而接触不良。所以维修中可以用新的传感器试验一下, 但ECU就不用轻易更换了。
摘要：近年来, 随着轿车智能化程度愈来愈高, 轿车上的电气设备也愈来愈多。轿车上的传感器少至几十个, 多至一百多个, 豪车上甚至装有几百个传感器。单单一辆车上的温度传感器可能就有四至十个之多。文章从类型、位置与用途、故障分析以及故障检测案例四方面对轿车上常见的温度传感器进行分析。
关键词：传感器,温度传感器,故障检测
参考文献
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远程监控温度传感器 篇9
关键词：温度传感器,DS1624,I2C总线
粮食是人类生活的必需品, 一般存储在粮仓中。温度是保证粮食储存良好的重要条件之一, 为了确保存放在粮仓中的粮食不变质, 就必须使粮仓内的温度保持在合适的范围内, 因此必须对粮仓中的温度进行有效的实时监测。温度传感器是指能感受温度并转换成可输出信号的传感器, 是温度测量仪表的核心部分。一般采用温度传感器对温度进行检测, 传统的温度传感器需要比较复杂的信号处理电路, 而集成化温度传感器分为模拟输出和数字输出两种类型, 其内部包含温度传感器、信号处理器、模数转换器、存储器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器、只读存储器和随机存取存储器, 具有外围电路简单、外形较小、使用便利, 性能具有传统温度传感器所无法比拟的优点, 是当前温度测量的首选。
1 DS1624温度传感器
传统的温度检测, 需要很好地解决引线误差补偿、多点测量切换、测量误差和放大电路零点漂移等问题。在接口上需要ADC, 造成结构复杂, 调试繁琐, 测量精度较低。DS1624是美国DALLAS公司生产的集测量系统和存储器于一体化的芯片, 基于I2C总线数据传输原理。其温度传感器芯片具有温度测量精度高、价格低廉、体积小等特点, 非常适用于粮仓中温度测量。其数字接口电路简单, 可以使用一片微控制器控制8片DS1624传感器。测量结果的数字温度输出两字节传输, 达到13位, 精度为0.03125%。DS1624适用于低功耗系统, 工作电压可低于2.7V。
DS1624和同系列的DS1620相比, 控制更为简单, 测温范围宽, 分辨率高于DS1621, 读数稳定, 无需外接电路, 与单片机接口电路简单, 广泛适用于多种环境的温度测量、温度控制和温度报警。
其工作性能指标:测温范围:–55℃~+125℃, 转换时间小于1秒, 分辨率:0.03125℃, 数据读写通过2线串行接口 (SDA、SCL) 实现, 可选总线地址。内部集成256Byte的E2PROM, 用来保存用户设定的参数。
DS1624为封装两种方式:8脚DIP封装或SOIC。DS1624引脚图如图1所示:
DS1624引脚描述为:
SDA:2线 (I2C) 串行数据输入/输出, SCL:2线 (I2C) 串行时钟端, NC:未连接, GND:地, A2、A1、A0:片选地址输入A2、A1、A0, VDD:电源端。
1.1 DS1624工作原理
DS1624采用特殊的片内温度测量技术进行温度测量。在计数门开通的情况下对低温系数振荡器的脉冲个数进行计数。
计数脉冲的周期取决于高温度系数振荡器, DS1624在计数器中预置了一个相当于-55℃的初值。如计数周期结束之前计数器达到0, 已预置了此初值的温度寄存器中的数字就会增加, 从而表明温度高于-55℃。同时计数器预置为非线性累加器的值, 重新开始计数。如脉冲周期在计数器到0之前还没结束, 则重复上面的过程, 否则停止计数。最终温度寄存器中的值即为被测温度值。
DS1624通过计算可以得到0.03125℃的精度, 温度输出为13位, 在发出读温度值请求后还会输出两位补偿值。这些数据可通过2线制串行口连续输出, MSB在前, LSB在后。
由于数据在总线上传输时MSB在前, LSB在后, 所以DS1624读出的数据可以是一个字节 (分辨率为1℃) , 也可以是两个字节, 第二个字节包含的最低位为0.03125℃。
13位温度寄存器中存储温度值的数据格式为:
其中, S为符号位, 当S=0时, 表示当前测量到的温度为正的温度;当S=1时, 表示当前测量到的温度为负的温度。B14—B3为当前测量的温度值。最低3为被设置为0。
DS1624的温度值以0.03125℃为单位表示。1624内部的13位温度寄存器可以通过I2C总线串行读出, 高位在前。该13位数据位补码表示的温度值, 将其真值乘以0.03125即为被测温度值。
DS1624采用独特的在线温度检测技术进行温度测量, 通过在一个由对温度高度敏感的振荡器决定的计数周期内对温度低敏感的振荡器时钟脉冲的计数值的计算来测量温度。DS1624在计数器中预置了一个相当于–55的初值。如计数周期结束前计数器达到0, 已预置了此初值的温度寄存器中的数字会增加, 表示温度高于-55。
1.2 DS1624的工作方式
DS1624可以工作在两种方式, 即一次转换方式和连续转换方式。工作方式是由片上的配置/状态寄存器来决定的。
DONE:转换完成位, 温度转换结束时为1, 正进行转换时为0。
1SHOT:温度转换模式选择位, 该位为非易失性的。当1SHOT=1时, DS1624在收到启动温度转换命令EEH后进行一次温度转换;当1SHOT=0时, 执行连续的温度转换, 并将最近一次的结果保存到温度寄存器中。
1.3 DS1624的指令集
DS1624在嵌入一个系统时, 需要有MCU对其发出控制命令, 如开始温度转换、读温度寄存器、读写状态寄存器等命令。MCU是通过I2C总线接口来实现对DS1624的控制, 写入和读出完全遵循I2C总线的协议。
在写入信息时, 主器件发出开始START信号, 然后发送写控制字节, 即1001A2A1A00, 主器件输出从器件 (即DS1624) 的地址, 同时R/W位置0。指示从接收器寻址, DS1624接收后应答。接收到响应位后, 总线上的主器件发出一个命令地址, DS1624接收此地址后, 产生响应位, 主器件接收到来自DS1624的确认信号后就向他发送数据。如果要对它进行读操作, 主器件除了发出命令地址外, 还要产生一个重复的启动条件和命令字节, 此时R/W位为1, 读操作开始。
在进行读操作时, 主器件可以从DS1624的E2PROM中读取数据。主器件在发送开始信号后, 主器件首先发送写控制字节1001A2A1A00。主器件接收到DS1624应答之后, 发送命令地址, 收到DS1624的应答之后, 接着发送的字地址将被写入到DS1624的地址指针。此时DS1624发送应答信号之后, 主器件并没有发送停止信号, 而是重新发送START开始信号, 接着又发送读控制字节1001A2A1A01, 主器件接收到DS1624应答之后, 开始接收DS1624送出来的数据, 主器件每接收完一个字节的数据之后, 都要发送一个应答信号给DS1624, 直到主器件发送一个非应答信号或停止条件来结束DS1624的数据发送过程。
2粮仓检测系统
2.1硬件连接
DS1624与单片机接口电路如图2所示。采用一片DS1624完成本地数字温度的测量, 并通过8位数码管显示出测量的温度值。采用的MSC1211是美国德州仪器公司推出的带有高精度ADC模块的单片机, 其内部集成了一个24位的模数转换器, 带有8通道多路开关、缓冲器、PGA、电压参考, 可以接8路模拟量的输入。MSC1211还集成了高性能8051处理器内核、Flash存储器、4通道16位数模转换器、2个标准UART接口, 1个I2C接口、1个SPI接口、3个多功能数字I/O端口和3个定时/计数器。对于要求体积小、集成度高、精度高的测量控制系统, MSC1211是理想的选择。选用单片机MSC1211的P1.0和P1.1分别作为SDA串行数据线和SCL串行时钟线。二者经上拉电阻至正电源, 以保证在总线空闲期间SCL和SDA均为高电平。单片机MSC1211作为负责温度的采集和控制, LED是显示电路, 由8个发光二极管组成, 用来显示温度值。
2.2软件流程
温度测量、显示程序框图如图3所示。
系统通电复位后对DS1624进行初始化, 通过配置/状态寄存器设定为连续转换模式。设定完毕后, 输出指令EEH, DS1624开始温度测量与转换。查询读取配置/状态寄存器, 当其值最高位DONE=1时, 表明温度测量值的数字化转换已经结束。在连续转换状态, 计算机向DS1624发送开始转换指令后, DS1624会在完成并输出当前这一次温度测量的数字值后, 继续进行下一次的温度测量和转换, 直到接收到温度停止转换命令22H。向DS1624发读温度命令AAH, 接着用数码管显示温度值。
3结束语
针对温度对粮仓中保存粮食的重要性, 本文设计了DS1624温度传感器和MSC1211单片机的接口设计, 设计了软件流程, 用于粮仓的温度检测。
参考文献
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远程监控温度传感器 篇10
关键词： 光纤传感器； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转角度
中图分类号： TP212.1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.002
文章编号： 1005-5630（2016）03-0200-05
Abstract： In order to research the temperature sensitivity of optical fiber sensor based on two faculae rotation，a new optical fiber sensor system based on the monitoring of facula rotation angle is designed.Firstly，one fiber is coiled into two fiber loops （Loop 1 and Loop 2）.Then the radius of the Loop 1 is changed to incur macros bending loss and two faculae is realized.Meanwhile，Loop 2 is put into water temperature monitor box and temperature changes are observed relate to facula rotation angles.The experiment also shows how temperature changes relate to three faculae rotation angles for comparison.Finally，the principle of optical fiber macros bending loss and fiber optic ring coupling is analyzed.MATLAB is used to process the collected data of the experiments and the result shows that two faculae optical sensor is thermally stable.
Keywords： optical fiber sensor； bending loss； temperature change； facula rotation angle
引 言
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、结构简单以及与光纤传输线路相容等独特优点受到世界各国的广泛关注[1]。如今，光纤传感技术日益成熟和完善，可传感角速度、压力、温度、电场、振动等物理量，被广泛地应用于远程控制以及医疗、生物、化学、电力检测等方面。其中，利用光纤传感技术的温度测量也越来越受到人们的重视[2]。
光纤传感器可以分为非功能型（传光型或强度调制型光纤传感器）和功能型（传感型光纤传感器）2类，光纤温度传感器是一种新型的温度传感器，目前主要的光纤温度传感器有分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等[3-4]。
本文介绍一种基于光斑旋转角度调制的光纤传感系统，光纤所在环境的温度变化会导致光斑旋转，从而改变出射端的光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像，再经过MATLAB处理获得所得图像中的光斑角度，达到间接测量的目的。
1 基本原理及系统结构
光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄露及模式耦合[5]，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波。受到光纤弯曲的影响，光纤中的全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗和过渡损耗[6]，可以表示为：
经式（1）、式（2）大量计算可得，由曲率半径的改变而引起的过度损耗远远小于辐射损耗[7]。由式（1）可以看出，光纤弯曲程度（R/a）越大，空间滤波效应越明显，辐射损耗也大，纤芯传输的模式数就越少，导致出射光斑数量的减少。
实验装置如图1所示，激光器（DH-HN250P）发出的光经过聚焦透镜耦合进单模传感光纤中，激光先经过光纤环1（光纤环1为单模光纤绕制的一定半径的单圈光纤环，起空间滤波作用），再通过光纤环2（光纤环2为单模光纤紧密绕制在一定半径的圆柱海绵体上形成的光纤环，作为传感光纤环，并放在水温控制箱中），CCD接收光纤输出端的激光光斑，最终将光斑图像传至PC。
2 实验现象
2.1 光斑数变化
2个级联的光纤环：光纤环1的直径为20 mm；光纤环2直径为20 mm，有6圈且紧密绕在圆柱形海绵体上。初始光斑为4个，减小光纤环1的直径到16 mm后，光斑减少为3个，继续减少光纤环1的直径到10 mm，光斑变为2个。经实验观察得到，缩小光纤环1的直径，由于压缩使光纤结构和光纤传播常数发生变化，导致光波模式的耦合、损耗变大，进而减少了出射光斑的数量。
2.2 光斑旋转
2个级联的光纤环：光纤环1直径为10 mm；光纤环2紧密绕着圆柱形海绵体6圈，直径为20 mm。实验中逐渐降低水温控制箱的温度，获得图2所示的光斑图（图2中的（a）至（h）分别表示从90℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时两光斑角度变化的光斑效果图），改变水温控制箱的温度，两光斑绕整体中心点旋转的角度基本不变。另一组对比实验中，改变光纤环1的直径为16 mm，光纤环2紧密绕着圆柱体海绵6圈，直径仍为20 mm，PC中显示3个光斑。利用实验装置获得图3所示的光斑图（图3中的（a）至（h）分别表示从90 ℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时三光斑角度变化的光斑效果图），改变水温控制箱的温度，三光斑绕整体中心点旋转的角度发生了一定的变化。此现象为下面的两光斑位移传感器具有温度稳定性的实验提供了依据。
3 实验结果分析
3.1 光斑图处理
将摄像头CCD读取到的视频转化为图片，接着就用MATLAB进行处理。具体过程是先进行灰度化和压缩处理，再对光斑均匀化，接着计算出各光斑的中心点和整个光斑图的中心点，最后再计算光斑的旋转角[8]。对图2、图3各光斑图进行灰度化、压缩和光斑均匀化处理，得到如图4、图5所示的光斑图。
3.2 光斑旋转角度的计算及分析
通过MATLAB处理分别获得2个光斑的特征点质心，再通过变换坐标方式可以方便快捷地测出2个光斑质心相连线与水平位置的角度，从而获得温度变化与特定直径传感光纤环光斑旋转角度的关系，测得数据如表1所示。三光斑角度的计算与两光斑不同，因为三光斑中心点组成的等边三角形的结构是稳定的，而且三角形中心点是相对固定不动的，通过MATLAB处理分别获得3个光斑的特征点质心，取其中两光斑连线的中心点坐标值，再计算该点和第3个光斑中心点的连线与水平位置的角度，从而获得三光斑旋转角度与传感光纤所处环境温度变化的关系，测得数据如表2所示。
实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理，得到图6所示的两光斑旋转角度与温度变化的关系图，对应于表1中的数据；图7所示的是三光斑旋转角度与温度变化的关系图，对应于表2中的数据。
通过图6与图7的比较得出，改变传感光纤所处环境的温度，三光斑的旋转角度随着温度的变化而改变，且存在很好的线性关系：θ=0.852 6T，线性度为-3.613 2。然而在一定的误差范围内，改变传感光纤所处环境的温度，两光斑旋转角度基本保持不变，即外界温度参量并不影响两光斑弯曲线性实验的灵敏度，从而证实了基于两光斑旋转的光纤传感器具有温度稳定性。
4 结 论
本文提出了测量温度变化的光纤传感系统，通过实验获得了两光斑旋转角度与传感光纤所处环境变化的关系，得出了基于两光斑旋转角度的光纤传感器具有温度稳定性的结论。此外根据耦合模理论，也可以从理论上分析出两光斑与三光斑低阶模的受温旋转性。此传感系统结构简单、使用方便，还具有很好的重复性。由于光斑旋转方向的特定性，此系统可以用来做温度的测量，此外还可以拓展至频率、重量等多种变量的测量。
参考文献：
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