多路温度检验系统的设计与研究应用.doc
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1、1 绪论温度是一种很重要物理参数,自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在工业生产过程中,温度检测和控制都直接和安全生产、产品质最、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系,因而在国民经济各个领域中都受到普遍注重。温度检测类仪表作为温度计量工具,也因而得到广泛应用。随着科学技术发展,此类仪表发展也日新月异。特别是随着计算机技术迅猛发展,以单片机为主嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域,形成了智能化测量控制仪器,从而引起了仪器仪表构造主线性变革。1.1 温度检测类仪体现状老式机械式温度检测仪表在工矿公司中己经有上百年历史了。普通均具备批示温度功能,由于测温原理不同,不同仪表在报警、记录
2、、控制变送、远传等方面性能差别很大。例如热电阻温度计,它测温范畴是-200650 ,测量精确,可用于低温或温差测量,可以批示报警、远传、控制变送,但维护工作量大并且不能记录;光学温度计测温范畴是3003200 ,携带使用以便,价格便宜,但是它只能目测,也就是说必要纯熟才干测准,并且不能报警、远传、控制变送。近年来由于微电子学进步以及计算机应用日益广泛,智能化测量控制仪表己经获得了巨大进展。国内单片机开发应用始于80 年代。在这20 年中单片机应用向纵深发展,技术日趋成熟。智能仪表在测量 过程自动化,测量成果数据解决以及功能多样化方面。都获得了巨大进展。当前在研制高精度、高性能、多功能测量控制仪
3、表时,几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表。从技术背景来说,硬件集成电路不断发展和创新也是一种重要因素。各种集成电路芯片都在朝超大规模、全CMOS 化方向发展,从而使顾客具备了更大选取范畴。此类仪器可以解决许多老式仪器不能或不易解决问题,同步还能简化仪表电路,提高仪表可靠性,减少仪表成本以及加快新产品开发速度。智能化控制仪表整个工作过程都是在软件程序控制下自动完毕。装在仪表内部EPROM 中监控程序由许多程序模块构成,每一种模块完毕一种特定功能,例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。编制完善监控程序某些功能模块。可以取代某些硬件电路功能。这就为设计者扩展或变化仪
4、表详细功能提供了以便。例如打印内容、格式,报警值上、下限,报警方式(如发光、发声)等就完全可以通过变化详细某一段程序来实现,同步又不会影响软件中其他程序功能。仪表在使用上更具备灵活性。智能化控制仪表在引入单片机之后,己经减少了对某些硬件电路规定,但是测试电路依然占有很重要位置。特别是直接获取被测信号传感器某些仍应予以充分注重,有时提高整台仪器性能核心依然在于测试电路特别是传感器改进。当前传感器也正在受着微电子技术影响,不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化方向发展。有许多国家正致力于将微解决器与传感器集成于一体,以构成超小型、便宜测量仪器主体。与国内己经浮现各种各样智能化测量控制
5、仪表相比,国际上更是品种繁多。国内开发规模也相对较小,开发费用相对较高,与国际相比还存在很大差距。1.2 课题提出多路温度测量、记录、传播在工业及民用领域应用中始终是量大面广设备之一,因此当前多路温度巡检仪并不少见。甚至其中有诸多己经作为典型例题出当前许多关于单片机应用教科书中,虽然在电路构造、元器件选取和相应软件编程上略有区别,但是它们均能以单片机为核心,完毕巡检、显示、报警和记录等功能。但是这些温度巡检仪均有一种共同重要缺陷,那就是只能检测路数不能任意增长。这是由于温度检测离不开温度传感器,而老式温度传感器例如PT100 、K 、J 等都是模仿量输出,需要进行信号放大和A/D转换方能被单片
6、机接受,如果要增长测试路数,那未必然要增长放大器和A/D转换器个数,接线将十分复杂。并且它们精确性易受环境、接线、放大等因素影响,因而误差大,远传受距离限制等,多路共测时,检测效果也大打折扣。随着生产力发展,生产规模扩大和对生产管理自动化水平规定越来越高,在诸多场合,诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线,中频热解决行业水路温度保护,提高机、通讯机、发电厂等轴温记录,变电所各电节点温度检测,农业大棚、鸡舍等,温度巡检仪有着越来越辽阔应用与发展前景。但是上述场合普通需要监测点远不不大于8个,则上述温度巡检仪远远不能满足其规定。本课题则重要针对这一点而提出。监测点增长,就硬件电路和软件编程而言,并非
7、意味着简朴增长几条电路连线和循环指令,而是与有关软硬件技术有极为密切联系。随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术发展越来越完善,使得设计可以满足对更多测试点温度测试、报警、记录等温度巡检仪成为也许。当前,温度传感器发展日新月异,种类繁多,各有千秋,特别是数字式温度传感器开始越来越多应用于温度检测仪表中。所谓数字式温度传感器即集温度感应、变换、数码调制于一体,对外输出数字信号。具备抗干扰性好、可靠性高、硬件电路简朴、使用以便等长处。特别是对于数十个乃至上百个点检测,采用数字式温度传感器便可以摒弃A/D转换和放大器,无疑对简化电路起到不可预计作用。在设计电路时,使用不同温度传感器,对电路性能有极
8、大影响。测控对象与计算机之间信息互换是通过总线进行,常用有C总线、SPI 总线等被广泛应用着,它们技术成熟,有众多芯片和功能完善软件相支持。近年美国DALLAS 半导体公司推出了一项新技术-单总线技术,即用一根信号线( 1-wire)在其上可以挂接许多测控对象,甚至电源也经这根信号线馈给,从而可以以便地组建一种测控系统。该技术有较高性能价格比,合用于温度测控场合,当测控对象诸多时更可以显示其优越性,抗干扰性能好,具备CRC 校验功能,系统简要直观易于掌握。特别是国内未见进一步研究,软件编程相应复杂,因而使用单总线技术研制温度巡检仪则保证了其技术上先进性,但是同步也具备一定开发难度.本课题将综合
9、运用先进元器件和技术设计温度巡检仪,使其可以真正以便地实现对温度监控自动化,为生产管理部门提供高精度实时温度,使操作者可以在生产过程中及时理解关于温度参照信息,保证生产可以在正常环境温度下进行,对于保障安全生产、节约能源、提高效率、保障产品质量有重要社会意义。并且在上面提到行业中,都需要多路同步检测,应用面广,需求量大,任何一种厂一次使用量都在10 台仪器以上,因而32 路温度巡检仪一旦设计成功并投入生产必将带来良好经济效益,前景非常辽阔。1.3 课题内容针对当前温度检测仪表发展趋势和存在问题,本课题重要解决如下内容:a) 对32 处不同测试点巡回检测其温度,进行集中管理,集中控制。b) 在其
10、测量 范畴内可以设定任意测试点温度报警值。c) 在温度异常时可以发出报警信号和采用保护办法,能对故障及时地跟踪和记录。d) 可以以便地设立打印方式,涉及定期自动打印和任意时刻打印。e) 功耗低,整个系统体积小。f) 现场安装配线简朴,调试简捷以便。g) 采用少量按键来设立现场参数,系统具备较强对话性和可操作性;测试点个数可在某一范畴内任意删加。h) 使系统具备较强抗干扰性能。i) 有较高辨别率,极好可维护性。2 系统总体设计在本章设计中将进行系统总体方案设计,以便在后续章节中选取适当单片机及外围芯片,完毕详细硬件电路设计。总体设计应考虑如下几点:a) 从整体到局部设计b) 经济性规定c) 可靠
11、性规定d) 操作和维护规定。2.1 系统总体设计思想不同控制对象和不同规定,应当有不同设计思想。本系统事实上是一种专用单片机系统,仪表内部除单片机以外其他硬件某些均可看作是单片机外设某些。在本系统中,CPU 在温度采集和解决时,主耍是对温度值进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据记录和整顿、数据越限报警并对这些数据进行积累和实时分析。CPU 不直接参加过程控制。对生产过程不会直接产生影响。从这一点出发,可作出总体设计思路图2.l:测试对象采样转换报警打印显示单片机图2.1总体设计思路图温度通过采样、转换后以数字形式进入CPU ,运用CPU 具备运算、逻辑判断能力速度快等特点,在它内部可以对这些
12、输入数据进行必要集中、加工和解决,在温度参数测量和记录中则代替大量常规显示和记录仪表,对整个环境温度进行集中监视。此外,添加存储器,预先存入各个测试点温度极限值和其她有关数据,以便在解决过程中可以进行越限报警、调节参数和维修调试等。2.2方案论证与选取设计方案不同将直接决定仪表硬件繁简限度,从而拟定软件不同编写思32 路温度巡检仪应对当前环境温度进行巡回检测,因此它是一种实时监测系在设计时应考虑如下几种方面:a) 应保证前向温度传感电路精准度、敏捷度、电路构造合理性;b) 仪表自身要具备一定抗干扰能力,应在硬件及软件上引入各种抗干扰办法,以增强它稳定性和精确性;c) 仪表应预留接口以便于功能扩
13、展和联网。依照以上规定,硬件电路有如下几种方案可供选取。2.2.1温度采样和测试某些第一种方案:各测试点温度值通过测温元件热电偶、热电阻等,被转换为电信号,这样得到多路采样信号经放大器、多路模仿开关及A/D转换电路,由单片机控制多通道A/D 转换,分时对电压信号进行循环采样和A/D 转换。这种方案是单片机解决非电量信号老式办法,它长处是测温范畴广:选用适当测温元件可以检测-3003000 温度。但是一方面,单片机外电路复杂,由于32 路温度需要各种模仿开关,不论是通用并行、串行总线,还是专用总线,其传送数据信号线总是多根,这样系统连线非常复杂,并且需要额外接口芯片,其成本也高;另一方面,A/D
14、 转换器要占用各种I/O 口向单片机输入多位数字量,这无疑使得有限I/O 口在设计时显得较为局促;软件工作量大,且功耗也较大,线路上传送是模仿信号。易受干扰和损耗,这种方案性能价格比较低。第二种方案:使用在温度测控领域中有广泛应用二端式半导体集成温度传感器AD590 、LM35等,将采集到电流信号经多路A/D转换器送入单片机,由单片机控制数据采集和转换。以AD590 为例,它测温范畴为-55+ 150 。工作电压为4+ 30 V 。由于AD590 是一种电流型温度传感器,因而具备较强抗干扰能力,合用于计算机进行远距离温度测量和控制,远距信号传递时,可采用普通双纹线来完毕;其电阻比较大。因而不盆
15、要精密电源对其供电,长导线上压降普通不影响测量精度;不需要温度补偿和专门线性电路。在这一方面显然优于第一方案。但是它依然具备单片机解决各种模仿信号时缺陷:电路连线复杂、软件工作量大、功耗大、需要占用较多I/O口线。第三种方案:选用先进数字式温度传感器,将采集到数字式温度信号直接送入单片机进行解决。随着传感器技术发展,已经浮现了先进数字式温度传感器。这种方案中温度传感器兼有测温和A/D转换功能,输出值是数字信号,因此不必使用A/D转换器和有关接口芯片,可以直接进入单片机进行数字解决。硬件电路非常简洁,有较好线性关系和较强抗干扰能力,同以上两种方案相比有明显优势和极其广泛开发前景。但是测量范畴较小
16、,普通在-50+ 150 之间。 由于本课题温度巡检仪是面脚普通环境温度即常温区,对测温范畴规定并不严格,比较以上几种方案,我选用了第三种方案。 2.2.2各种数据存储在电路设计冲,温度值、温度传感器有关数据、时间数据等都需要保存。并且掉电时规定数据不丢失。有两种电路可以实现数据非易失性保存。第一种方案:选用静态RAM 及专用上电、掉电数据保护电路,但这种构造占用较多软硬件资源,不适当采用。第二种方案:使用串行PROM作为数据存储器,且串行PROM具备很强抗干扰能力,与单片机硬件接口非常简朴可擦写次数多(当前为次)。因而本设计采用第二种方案。2.2.3时钟某些在32 路温度巡检仪中需要记录故障
17、发生时间,因此要考虑实时时钟。实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。硬时钟有独立实时时钟芯片构成,硬时钟长处是时钟精确度与单片机无关,不易产生误差;缺陷是成本较高、体积大,并且与单片机通信时也许会受到外界干扰。软时钟是运用单片机内部定期器,由软件程序产生实时时阂。节约了外都硬件资源。缺陷是当单片机发生故障时,时钟也容易遭到破坏,特别是单片机采用了看门狗电路时,会影响软时钟精确度。因而,本设计采用独立硬件时钟芯片。这样,虽然看门狗电路令单片机复位,程序也只须将时钟芯片里数据读出即可,不会影响时钟精确度。2.2.4打印输出打印机输出是计算机系统最基本输出形式,在本系统中规定有以便打印记录,打印机普通有击
18、打式和非击打式打印两类。击打式打印机是运用机械作用,击打活字载体上字符,使之与色带和纸相击打而印出字符,或者运用打印铜针撞击色带和纸打印出点阵构成字符图形。其特点是一次性购买价格较高,耗材便宜,经久耐用。非击打式印字机印字,不是机械击打动作,而是运用各种物理或化学办法印刷字符,如静电感应,电灼,热敏效应,激光扫描及喷墨等。较惯用是喷墨打印机,虽然价格便宜但是经常要更换墨盒,耗材费用高。考虑到为以便顾客长期使用,不至于经常拆卸仪表外壳而去更换墨盒,因而选用击打式打印机。击打式输出打印设备按工作方式又可分为串行输出打印机和并行输出打印机。所谓串行打印即逐字,逐行,逐页地打印。串行输出打印机依照活字
19、载体形状,分球形、字轮、针式、菊花、杯形等各种,其中菊花式和针式打印机发展比较快,而后者使用更广泛,针式打印机是由点阵构成不同字符击打成字。它们特点是打印速度高,机械构造比较简朴,适合伙为微小型计算机打印输出设备。所谓并行打印即逐行逐页地打印。并行式打印速度高于串行式打印。并行输出打印机按构造分为鼓式、链式、带式等种。普通合用于大型计算机系统。由于本系统仅需要打印温度值、时间和测试点序号,因此选用串行针式微型打印机。2.2.5系统显示 单片机应用系统中使用显示屏重要有发光二极管显示屏,简称LED ( Light Emitting Diode ) 。液晶显示屏,简称LCD ( Liquid Cr
20、ystal Display);CRT 显示屏。LED 发光效率和颜色取决于制造材料,普通惯用红色,偶尔也用黄色或绿色。发光二极管LED 是智能化测量控制仪表中简朴而惯用输出设备,通惯用来批示机器状态或其她信息,它长处是耗电省,配备灵活,接口以便,价格低,寿命长,对电流电压规定不高及容易实现多路等,因而在智能化测量控制仪表中获得了广泛应用。LCD 是一种被动显示屏,它自身并不发光,只是调节光亮度。当前惯用LCD 是依照液晶扭曲-向列效应原理制成,可得到黑底白字或白底黑字显示形式。对于采用电池供电便携式智能化测量控制仪表,考虑到低功耗规定,经常需要采用液晶显示屏,它体积小,重量轻,功耗极低,因而在
21、仪器仪表中应用十分广泛。但是必要借助外来光显示。CRT 显示屏可以进行图形显示,但接口较复杂,成本也较高。在32 路温度巡检仪中只需要显示4 位数字形式温度和路数,可以不必使用价格较高CRT ;4 位LED 工作电流为240mA 左右,由于使用交流电源供电,足以提供LED 显示屏所需要功率,对于LED 而言,仅有4 位,体积也很小,这样比较LED 和LCD 诸多特点,本系统选取LED 印显示屏。2.2.6键盘格式键盘是一组按键组合,它作用重要是控制系统工作状态以及向系统中输入数据和命令,有编码式键盘和非编码式键盘两类。编码式键盘除了按键之外,还涉及了产生键码硬件电路、去抖动电路和多键、窜键保护
22、电路。每按下一种键,能自动产生这个键键码,与此同步,产生一种脉冲信号。告知CPU 接受。这种键盘使用以便,接口程序简朴,但是需要较多硬件电路,价格较贵,普通单片机应用系统较少采用。非编码式键盘仅由排成行、列矩阵形式按键构成,按键作用只是简朴实现接点接通或断开,键去抖动、键编码形成和键辨认等均由软件来完毕。由于它经济实用,在单片机应用系统中广泛采用。通过以上对比,可以采用非编码式键盘。2.3系统设计技术核心依照以上所述总体设计思想,设计中需解决技术核心性问题是:第一,这种巡检仪由于需要检测点多达几十个,为了便于顾客安装使用,在硬件设计时,应尽量地使用各种先进现场总线技术,力求电路最简朴,安装调试
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- 温度 检验 系统 设计 研究 应用
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