1、摘 要隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫濕度的要求越來越高，準(zhǔn)確測(cè)量溫度變得至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)主要是針對(duì)惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以及高科技大范圍的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，布線困難，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差等問題做出的一個(gè)解決方案。該方案主要是利用熱電偶采集外界的溫度，利用無線傳輸實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)顯示采集到的溫度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比和處理。本文主要利用兩路熱電偶采集溫度的模擬量，并且利用熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)進(jìn)行處理，并通過無線傳輸模塊將測(cè)量的數(shù)值傳輸給PC機(jī)，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，從而可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且利用該設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶測(cè)量準(zhǔn)確度

2、的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但應(yīng)用范圍廣泛，使用方便，而且節(jié)約資源，同時(shí)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的監(jiān)控。關(guān)鍵詞：溫度數(shù)據(jù)采集，無線傳輸，熱電偶，單片機(jī)，PC機(jī)Abstract With the more and more request of industry and agriculture production in the temperature, it become very important to survey the temperature accurately. This article is designed for harsh environments and high-tech in

3、dustries at the scene of large-scale agriculture at the scene, wiring problems, waste of resources, space, and make operational a poor solution. This design is mainly to use the thermocouple to gather temperature, and then use the wireless transmission to reveal the gathered temperature on the posit

4、ion machine, and comparison of data and processing the corresponding. This design mainly uses two thermocouple to gather the analog quantity of the temperature and uses the thermocouple serial ADC to achieve signal amplification, cold junction compensation and the A / D conversion, and then the digi

5、tal quantity will be able to be distinguished by the microchip and then transmitted through the wireless transmission module to the PC, and to achieve the compare of data, then the temperature of the scene of industrial and agricultural can be monitored in any time, and through this design we can de

6、tect the accuracy of thermocouple at the scene of measurements. This system is of simple structure, but in extensive application range, easy being used. Moreover, it saves resources and also, the long range monitor may be carried on at the same time.Key words: temperature data acquisition, wireless

7、transmission, thermocouple, single-chip, PC目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 引 言11.1 課題的背景和意義11.2 無線溫度采集原理21.3無線溫度采集的發(fā)展?fàn)顩r41.4無線溫度采集系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容6第二章 總體方案設(shè)計(jì)72.1任務(wù)要求72.2總體方案的論證72.3總體方案的選擇10第三章 單元電路的設(shè)計(jì)123.1溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路123.1.1 熱電偶123.1.2溫度數(shù)據(jù)采集部分的放大電路183.1.3自動(dòng)檢測(cè)部分的信號(hào)放大器213.2 無線收發(fā)模塊263.2.1無線收發(fā)芯片的選擇263.2.2 PTR8000無線數(shù)據(jù)傳輸

8、模塊283.2.4 PTR8000的工作過程323.3單片機(jī)與PC機(jī)接口數(shù)據(jù)傳輸電路323.4 單片機(jī)343.4.1 單片機(jī)的特點(diǎn)343.4.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)353.4.3 單片機(jī)與各芯片的連接電路363.4.3 軟件設(shè)計(jì)383.5直流穩(wěn)壓電源40結(jié) 論42參考文獻(xiàn)43致 謝44附錄一 發(fā)射部分電路圖45附錄二 接收部分電路圖46第一章 引 言1.1 課題的背景和意義隨著社會(huì)的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，利用無線通信進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的方式已經(jīng)滲透到社會(huì)生活生產(chǎn)的每一個(gè)角落，溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度在影響生產(chǎn)效益的同時(shí)也在逐步得到社會(huì)的重視。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長(zhǎng)時(shí)間停留在現(xiàn)場(chǎng)觀察設(shè)備是否

9、運(yùn)行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個(gè)環(huán)境相對(duì)好的操控室內(nèi)，工作人員可以在這里將控制指令傳輸給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。這樣就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題，由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長(zhǎng)的通訊線，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯(cuò)誤換線困難。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設(shè)電纜時(shí)，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時(shí)便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測(cè)，還是糧倉(cāng)的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉(cāng)占地面積大，檢測(cè)目標(biāo)分散，測(cè)點(diǎn)較多，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展

10、的需要。當(dāng)前的科技水平下，無線通信技術(shù)的發(fā)展使得溫度采集測(cè)量精確，簡(jiǎn)便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會(huì)安裝室內(nèi)溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進(jìn)行遙控通風(fēng)等操作，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。以上只是簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子，在現(xiàn)實(shí)生活中，這種溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事國(guó)防、機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。因此，對(duì)于如何利用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，尤其是如何提高無線數(shù)據(jù)采集的精度等

11、課題的研究就變得非常的有意義。1.2 無線溫度采集原理1.無線溫度采集的原理無線溫度采集的原理如下：溫度傳感器將被測(cè)點(diǎn)的溫度采集后輸出的模擬信號(hào)逐步送往信號(hào)放大電路、低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換器（即信號(hào)調(diào)理電路），然后在單片機(jī)的控制下將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳送到無線收發(fā)芯片中，并通過芯片的調(diào)制處理后由芯片內(nèi)部的天線發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)模塊中，發(fā)送來的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制的無線收發(fā)芯片接收并解調(diào)，最后通過接口芯片發(fā)送到PC機(jī)中進(jìn)行顯示和處理。2.溫度傳感器簡(jiǎn)介在采集被測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)用到溫度傳感器。溫度傳感器就是能夠感知和測(cè)量環(huán)境中某點(diǎn)溫度的一種敏感器件，它將環(huán)境中的溫度或與溫度有關(guān)的參量的信息轉(zhuǎn)

12、換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得被測(cè)點(diǎn)在環(huán)境中的溫度信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警系統(tǒng)。溫度測(cè)量方法有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類。接觸式測(cè)溫是，溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象接觸，經(jīng)過換熱后兩者溫度相等。目前常用的接觸式測(cè)溫儀表有：1) 膨脹式溫度計(jì)。一種是利用液體和氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸汽壓變化來測(cè)量溫度，如玻璃液體溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)；另一種是利用兩種金屬的熱膨脹差來測(cè)量溫度，如雙金屬溫度計(jì)。2) 熱電阻溫度計(jì)。它利用固體材料的電阻隨溫度而變化的原理測(cè)量溫度，如鉑電阻、銅電阻和熱敏電阻。3) 熱電偶溫度計(jì)。它利用熱電效應(yīng)測(cè)量溫度。

13、4) 其他原理的溫度計(jì)。例如，基于半導(dǎo)體器件溫度效應(yīng)的集成溫度傳感器 、基于晶體的固有頻率隨溫度而變化的石英晶體傳感器等。接觸式測(cè)溫的測(cè)量方法比較直觀、可靠，測(cè)量?jī)x表也比較簡(jiǎn)單。但是，由于敏感元件必須與被測(cè)對(duì)象接觸，在接觸過程中就有可能破環(huán)被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)分布，從而造成測(cè)量誤差。有的測(cè)溫元件不能和被測(cè)對(duì)象充分接觸，不能達(dá)到充分的熱平衡，使測(cè)溫元件和被測(cè)對(duì)象溫度不一致，也會(huì)帶來誤差。在接觸過程中，有的介質(zhì)有強(qiáng)烈的腐蝕性，特別在高溫時(shí)對(duì)測(cè)溫元件的影響更大，從而不能保證測(cè)溫元件的可靠性和工作壽命。非接觸測(cè)溫時(shí)，溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來推算被測(cè)物體的溫

14、度。目前常用的非接觸式測(cè)溫儀表有：1) 輻射式溫度計(jì)。其測(cè)量原理是基于普朗克定理，如光電高溫計(jì)、輻射傳感器、比色溫度計(jì)。2) 光纖式溫度計(jì)。它是利用光纖的溫度特性來實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，或者僅僅是光纖作為傳光的介質(zhì)。如光纖溫度傳感器、光纖輻射溫度計(jì)。目前在高溫測(cè)量中，應(yīng)用最廣泛的是非接觸式測(cè)溫儀表，主要應(yīng)用在冶金、鑄造、熱處理，以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，因其內(nèi)部帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量，只是在低溫段這種能量很弱。輻射式測(cè)溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。在測(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，而不

15、必與物體接觸，因此，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度且不破壞物體的溫度場(chǎng)。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測(cè)物體的實(shí)際溫度，從理論上講，沒有上限，可以測(cè)量高溫。但是，這樣的非接觸式測(cè)溫儀表的測(cè)量精度一般不高。為了采集特定點(diǎn)的溫度，并在上位機(jī)上進(jìn)行顯示和控制，要求所使用的溫度傳感器必需有一定的精度，顯然使用非接觸式測(cè)溫儀表就不是非常合適。而在接觸式測(cè)溫儀表中，熱電阻式傳感器的測(cè)溫范圍主要在中、低溫區(qū)域（-200650），且線性度較差，只在某一較窄范圍內(nèi)有較好的線性度，由于是半導(dǎo)體材料，其復(fù)現(xiàn)性和互換性較差；熱電偶傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化的傳感器，在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元件

16、之一，其主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，可以在1K至2800的范圍內(nèi)使用，精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，把溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)信號(hào)便于處理和遠(yuǎn)距離傳輸。這樣通過比較可以明顯看出，在工業(yè)測(cè)溫上，熱電偶是比較實(shí)用的溫度傳感器，因此在本設(shè)計(jì)中使用的測(cè)溫儀表也將是熱電偶。表1-1為國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦的8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性1。 表1-1標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)B適于測(cè)量1000以上的高溫；常溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線；抗氧化、耐化學(xué)腐蝕在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢(shì)小，不能用于600以下；靈敏度低；熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好R,S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化；抗氧化、耐化學(xué)腐蝕；可作標(biāo)準(zhǔn)靈敏度低；

17、不適用于還原性氣氛（尤其是氫氣、金屬蒸汽）；熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好；價(jià)格高N熱電動(dòng)勢(shì)線性好；1000以下抗氧化性能良好；短程表序結(jié)構(gòu)變化影響小不適用于還原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時(shí)效變化大K熱電動(dòng)勢(shì)線性好；1000下抗氧化性能良好；在廉價(jià)金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好不適用于還原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時(shí)效變化大；因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高；同J型相比，耐熱性能良好；兩極非磁性不適用于還原性氣氛；熱導(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛；熱電動(dòng)勢(shì)較K型高20左右鐵正極易生銹；熱電特性漂移大T熱電動(dòng)勢(shì)線性好；低溫特性好；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好；可用于還原性氣氛使用溫度低

18、；銅正極易氧化；熱傳導(dǎo)誤差大1.3無線溫度采集的發(fā)展?fàn)顩r1.傳感器網(wǎng)絡(luò)無線溫度采集系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，即將多個(gè)傳感器通過近距離通信和數(shù)據(jù)交換技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，是近年來迅速發(fā)展的新技術(shù)，它融傳感器與通信技術(shù)于一體，具有很大的發(fā)展前景。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的信息，進(jìn)行處理后傳送到用戶。因而傳感器網(wǎng)絡(luò)在檢測(cè)精度、空間的廣度與分辨率等方面都將傳感器技術(shù)推向了一個(gè)新的高度，成為近年來引人注目的高科技領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代美國(guó)五角大樓提出了“智能塵埃”的設(shè)計(jì)思想，目的是在戰(zhàn)場(chǎng)上拋灑數(shù)千個(gè)微小的具有無線通信功能的傳感器模塊

19、，用于監(jiān)控?cái)橙说幕顒?dòng)情況?！爸悄軌m?！睂?duì)相關(guān)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，通過自組織的無線傳感網(wǎng)絡(luò)把重要的信息發(fā)送給指揮部。2006年Dust Networks公司在Electronica大會(huì)上發(fā)布了世界上首個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）。Dust Networks在這張名為“智能塵埃”的芯片上集成了構(gòu)建分配式傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的所有硬件和軟件功能。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，這種芯片體積越來越小，功能越來越完備，在天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛。這種“智能塵?！本褪且环N典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)。2.無線溫度采集系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 近幾年，無線溫度采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及軍事等領(lǐng)域中，甚至已經(jīng)延伸

20、到人們的日常生活中，將會(huì)成為人們生活不可或缺的一部分。因此，目前對(duì)無線溫度采集系統(tǒng)的研究成為很多學(xué)者關(guān)注的對(duì)象。隨著對(duì)無線溫度采集系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，設(shè)計(jì)方法也越來越多樣化。例如，基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線溫度測(cè)控系統(tǒng)，采用ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，基于CC2430芯片設(shè)計(jì)無線傳感節(jié)點(diǎn)，并開發(fā)其軟件，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有靈活性和可擴(kuò)展性，功耗低，可靠性高；還有基于射頻的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)，采用AT89S52單片機(jī)控制數(shù)字式溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，并用射頻芯片nRF401（采用抗干擾能力較強(qiáng)的FSK調(diào)制/解調(diào)方式）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；還有基于PXA20

21、7的無線模塊監(jiān)控系統(tǒng)，以IntelXScale架構(gòu)的PXA207嵌入式微處理器為核心，集嵌入式WEB服務(wù)、無線控制、溫度采集于一體，實(shí)現(xiàn)了智能信息無線網(wǎng)絡(luò)控制；還有基于藍(lán)牙技術(shù)的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使藍(lán)牙系統(tǒng)工作在ISM（Industrial Scientific Medical）公用頻段，采用時(shí)分雙工傳輸技術(shù)和高斯頻移鍵控（GFSK），以二進(jìn)制格式傳輸數(shù)據(jù)，且具有直接進(jìn)行數(shù)字信號(hào)輸入輸出功能，由于藍(lán)牙射頻IC的外圍電路元件極少（例如nRF401、240X系列其外圍元件僅10個(gè)左右），因此不但可以大大簡(jiǎn)化無線數(shù)據(jù)傳輸或遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還可降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。2由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普

22、及以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，目前世界上的科技大國(guó)都高度重視無線通信技術(shù)在民用和軍事方面的應(yīng)用。無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功應(yīng)用于無線抄表、軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制、機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)域。1.4無線溫度采集系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容由于無線溫度采集系統(tǒng)多用于工農(nóng)業(yè)等環(huán)境惡劣的領(lǐng)域，而且對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性有著較高的要求。因此，本課題的目的是對(duì)被測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)所使用的熱電偶進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。具體所做工作如下：1 在查閱了大量的科技文獻(xiàn)后，分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并選用合適的熱電偶進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。2 設(shè)計(jì)了放大電路等信號(hào)處理電路，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與對(duì)

23、比做好準(zhǔn)備。3 采用無線通信芯片來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)字信號(hào)傳輸，使得技術(shù)人員可在環(huán)境適宜的操控室內(nèi)進(jìn)行環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)采集和處理。4 使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集、無線發(fā)送與接收的控制，更好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化。第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1任務(wù)要求本次設(shè)計(jì)的任務(wù)，是設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的無線溫度采集系統(tǒng)，測(cè)溫范圍是01024，用于工業(yè)高溫爐等工業(yè)場(chǎng)所。要求實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)的控制下采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過放大濾波等一系列處理后由無線收發(fā)芯片發(fā)送至上位機(jī)，并在上位機(jī)中的單片機(jī)的控制下接收數(shù)據(jù)信號(hào)，最后在PC機(jī)上顯示和對(duì)比。此外，還需設(shè)計(jì)上述電路所需的直流穩(wěn)壓電源。2.2總體方案的論證能實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)任務(wù)要求的方案不只一種，

24、它們各有利弊。工作環(huán)境、測(cè)量精度、要求不相同時(shí)，選擇的方案亦有所區(qū)別。所以，我們要根據(jù)設(shè)計(jì)的具體要求，對(duì)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的多種方案進(jìn)行論證，從中選擇出適合設(shè)計(jì)要求的最佳方案。1方案一方案一的原理框圖如圖2-1所示。方案一所設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)主要由一個(gè)上位機(jī)模塊和一個(gè)下位機(jī)模塊組成，上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊之間采用無線數(shù)據(jù)通道聯(lián)系。上位機(jī)模塊能對(duì)整個(gè)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行管理和控制，下位機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。下位機(jī)模塊以單片機(jī)為控制核心，主要包括溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和無線發(fā)射電路。上位機(jī)模塊主要是單片機(jī)控制下的無線接收電路和PC機(jī)與無線收發(fā)單元間的串口通信電路。（1）

25、溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路主要包括熱電偶、信號(hào)放大器和低通濾波器，完成溫度數(shù)據(jù)采集的功能。其中熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓量；放大器將傳感器輸出的小信號(hào)放大，放大器的輸出結(jié)果滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換范圍。（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是用A/D轉(zhuǎn)換器接收來自放大器的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)提供給發(fā)射電路。（3）無線發(fā)射電路無線發(fā)射電路是由單片機(jī)控制，從發(fā)送端（模數(shù)轉(zhuǎn)換）接收數(shù)據(jù)，并用無線收發(fā)芯片對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后通過輸出端口輸出。（4）無線接收電路無線接收電路是接收發(fā)射電路發(fā)送的信號(hào)，通過無線收發(fā)芯片進(jìn)行譯碼，成為上位機(jī)可顯示的數(shù)據(jù)。（5）PC機(jī)與無線收發(fā)單元間的通信電

26、路 系統(tǒng)采用一個(gè)接口芯片連接PC機(jī)與無線收發(fā)單元，通過該接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和在PC機(jī)上顯示溫度采集結(jié)果。熱電偶信號(hào)放大器低通濾波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器單片機(jī)無線發(fā)射芯片信號(hào)調(diào)理電路無線接收芯片單片機(jī)接口芯片PC機(jī)圖2-1 方案一2方案二方案二的原理框圖如圖2-2所示。方案二所設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)同樣是由一個(gè)上位機(jī)模塊和一個(gè)下位機(jī)模塊構(gòu)成，上位機(jī)模塊與下位機(jī)模塊之間采用無線數(shù)據(jù)通道聯(lián)系。上位機(jī)模塊能對(duì)整個(gè)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行管理和控制，下位機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。下位機(jī)模塊包括兩部分電路，一路是數(shù)據(jù)采集部分，一路是熱電偶自動(dòng)檢測(cè)部分；上位機(jī)是單片機(jī)控制下的無線接收電路和PC機(jī)與無線收發(fā)

27、單元間的串口通信電路。（1）溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集部分的信號(hào)調(diào)理電路主要包括熱電偶溫度采集電路的電流信號(hào)輸出和信號(hào)放大器2個(gè)模塊，完成被測(cè)熱電偶的數(shù)據(jù)采集功能。其中熱電偶溫度采集電路的電流信號(hào)輸出是420mA的弱電流；放大器將上一級(jí)輸出的420mA的弱電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大，放大器的輸出結(jié)果滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換范圍。熱電偶自動(dòng)檢測(cè)部分的信號(hào)調(diào)理電路主要由標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、信號(hào)放大器組成，完成對(duì)被測(cè)熱電偶的自動(dòng)檢測(cè)功能。其中標(biāo)準(zhǔn)熱電偶將高溫爐被測(cè)點(diǎn)溫度信息轉(zhuǎn)換成電壓量；信號(hào)放大器將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出的小信號(hào)放大，放大器的輸出結(jié)果滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換范圍。（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是用A/D轉(zhuǎn)換器

28、接收來自放大器的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)提供給發(fā)射電路。（3）無線發(fā)射電路無線發(fā)射電路是由單片機(jī)控制，從發(fā)送端（模數(shù)轉(zhuǎn)換）接收數(shù)據(jù)，并用無線收發(fā)芯片對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后通過輸出端口輸出。（4）無線接收電路無線接收電路是接收發(fā)射電路發(fā)送的信號(hào)，通過無線收發(fā)芯片進(jìn)行譯碼，成為上位機(jī)可顯示的數(shù)據(jù)。（5）PC機(jī)與無線收發(fā)單元間的通信電路 系統(tǒng)采用一個(gè)接口芯片連接PC機(jī)與無線收發(fā)單元，通過該接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和在PC機(jī)上顯示溫度數(shù)據(jù)采集的結(jié)果以及被測(cè)熱電偶的檢定結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電偶溫度采集電流信號(hào)輸出信號(hào)放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器無線發(fā)射芯片信號(hào)調(diào)理電路單片機(jī)無線接收芯片單片機(jī)接口芯片PC機(jī)信號(hào)放

29、大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器圖2-2 方案二2.3總體方案的選擇方案一與方案二的共同之處在于，二者都使用了熱電偶、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、無線收發(fā)芯片、單片機(jī)以及PC機(jī)，基本的工作方式很相似。二者的不同之處可通過原理圖看出。方案一是對(duì)一個(gè)定點(diǎn)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過各部分電路的處理后，通過無線通信的方式發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，很顯然，這是典型的一路無線溫度采集系統(tǒng)；方案二是在溫度數(shù)據(jù)采集的同時(shí)對(duì)使用的熱電偶進(jìn)行自動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)檢定，兩部分的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示和對(duì)比，從而確定被測(cè)熱電偶的性能情況，這是帶自動(dòng)檢定的無線溫度采集系統(tǒng)。熱電偶使用一段時(shí)間后，為保證其準(zhǔn)確度和正常使用，要進(jìn)行周期檢定

30、。工業(yè)上通常采用直接比較法檢定，比較法檢定是被測(cè)熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶直接比較的一種檢定方法。檢定時(shí)，把被測(cè)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶捆扎在一起送入檢定爐，測(cè)量端應(yīng)位于檢定爐均勻的高溫區(qū)中，檢定爐內(nèi)的溫度應(yīng)恒定在被測(cè)溫度點(diǎn)3。在工業(yè)上，傳統(tǒng)的檢定裝置由程序給定器、PID調(diào)節(jié)器、溫度顯示記錄儀、可控硅等組成控制系統(tǒng)來控制溫度，等待爐溫穩(wěn)定后，用手動(dòng)電位差計(jì)測(cè)量毫伏電動(dòng)勢(shì)，或用惠斯登電橋手動(dòng)測(cè)量熱電偶，然后手動(dòng)查表、數(shù)據(jù)處理。這種方法操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、浪費(fèi)能源，也易帶來一些人為誤差。方案二設(shè)計(jì)的就是一種簡(jiǎn)易的帶有自動(dòng)檢定裝置的無線溫度采集系統(tǒng)，可以自動(dòng)給定檢定溫度4。從根本上說，方案一與方案二的工作原理十分相

31、似，但是它們有著最大的區(qū)別就是方案二有熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，可以對(duì)使用中的熱電偶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定，這對(duì)提高溫度測(cè)量精度和提高工作效率有著至關(guān)重要的意義。最后，通過比較，我們可以看出方案二相對(duì)于方案一來說有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，因此我們確定方案二為本次設(shè)計(jì)的最終方案。第三章 單元電路的設(shè)計(jì)基于第二章總體方案的設(shè)計(jì)，在這一章中，將總體電路劃分為溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路、無線收發(fā)模塊、電平轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)電路以及直流電源穩(wěn)壓電路。下面分別介紹它們的工作原理及電路結(jié)構(gòu)。3.1溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路熱電偶溫度采集電流輸出信號(hào)放大電路圖3-1數(shù)據(jù)采集部分的信號(hào)調(diào)理電路標(biāo)準(zhǔn)熱電偶信號(hào)放大器圖3-2 熱電偶自動(dòng)檢定部分的信

32、號(hào)調(diào)理電路上位機(jī)中數(shù)據(jù)采集部分的信號(hào)調(diào)理電路框圖如圖3-1所示，熱電偶自動(dòng)檢定部分的信號(hào)調(diào)理電路框圖如圖3-2所示。數(shù)據(jù)采集部分的信號(hào)調(diào)理電路由熱電偶溫度采集電流輸出電路和信號(hào)放大電路組成；熱電偶自動(dòng)檢定部分的信號(hào)調(diào)理電路由標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和信號(hào)放大器組成。這一模塊的功能就是將采集到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大，為進(jìn)行后面的無線數(shù)據(jù)發(fā)送做好準(zhǔn)備。3.1.1 熱電偶1.熱電偶的功能熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元件之一。在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中，熱電偶處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，對(duì)系統(tǒng)的功能起了決定性的作用。

33、因此，只有根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的熱電偶，才能得到精確可靠的溫度數(shù)據(jù)。2.熱電偶的工作原理目前對(duì)熱電偶的工作原理有兩種解說，都應(yīng)該是正確的，下面我們將分別介紹這兩種說法。（1）熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在Seebeck電動(dòng)勢(shì)熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第

34、三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。（2）兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。3.熱電偶的幾個(gè)注意事項(xiàng)熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將

35、熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度，對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題： 1) 熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)；2) 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)； 3) 當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，則熱電偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù)。4.熱電偶的冷端補(bǔ)償由熱電偶測(cè)溫公式得知，熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，才能通過測(cè)量熱電勢(shì)的大小得到熱端的

36、溫度。當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必需首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，在考慮將冷端處理為0，這稱為熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償。下面介紹幾種冷端處理的方法：1) 補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線在100（或200）以下的溫度范圍內(nèi)，具有與熱電偶相同的熱電特性，用它連接熱電偶可起到延長(zhǎng)熱電偶冷端的作用。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線通常有補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層組成。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線有兩方面的功能：其一實(shí)現(xiàn)冷端遷移；其二是降低電路成本。當(dāng)熱電偶與測(cè)量?jī)x表距離較遠(yuǎn)時(shí)，使用補(bǔ)償導(dǎo)線，可節(jié)約熱電偶材料，尤其對(duì)貴金屬熱電偶來說，經(jīng)濟(jì)效益更是明顯。2) 熱電偶冷端溫度恒溫法在一個(gè)保溫瓶里放冰水混合物，1個(gè)

37、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（101.325kPa）冰和純水的平衡溫度為0，在密封的蓋子上插入若干支試管，試管的直徑盡量小，并有足夠的插入深度。試管底部有少量高度相同的水銀或變壓器油，若放水銀則可把補(bǔ)償導(dǎo)線與銅導(dǎo)線直接插入試管中的水銀里，形成導(dǎo)電通路，不過在水銀上面應(yīng)加少量蒸餾水并用石蠟封結(jié)，以防止水銀蒸發(fā)和溢出。若改用變壓器油代替水銀，則必須使補(bǔ)償導(dǎo)線與銅導(dǎo)線接觸良好。自由端恒溫法適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。3) 冷端補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法是利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值，補(bǔ)償電橋的4個(gè)橋臂中有一個(gè)臂是銅電阻作為感溫元件，其余3個(gè)臂由阻值恒定的錳銅電

38、阻制成。橋臂銅電阻必須和熱電偶的冷端處于同一溫度下。電橋在0設(shè)計(jì)的銅電阻的阻值與其余3個(gè)橋臂電阻相等，這時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度變化（比如升高），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)也將變化（減?。?，而此時(shí)串聯(lián)電橋中的熱電阻阻值也將變化并使電橋兩端的電壓也發(fā)生變化（升高）。如果參數(shù)選擇得好且接線正確，電橋產(chǎn)生的電壓正好與熱電勢(shì)隨溫度變化而變化的量相等，整個(gè)熱電偶測(cè)量回路的總輸出電壓（電勢(shì)）正好真實(shí)反映了所測(cè)量的溫度值。本次設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)主要用于工業(yè)高溫測(cè)控方面，因此對(duì)熱電偶的準(zhǔn)確度要求較高，在這里我們并不采用以上幾種熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)姆椒?，而是使用一種芯片，關(guān)于該芯片的介紹將在后面的內(nèi)容中提到。5.

39、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶由熱電偶測(cè)溫原理可知，由兩種不同金屬A和B構(gòu)成一個(gè)閉合回路就可以組成熱電偶，但為了保證測(cè)溫精度和工程上的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩種。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，是指工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶分度表及熱電極材料如表3-1所示。表3-1 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶分度表及熱電極材料熱電偶分度號(hào)熱電極材料正極負(fù)極S鉑銠10純鉑R鉑銠13純鉑B鉑銠30鉑銠6K鎳鉻鎳硅T純銅銅鎳J鐵銅鎳N鎳

40、鉻硅鎳硅E鎳鉻銅鎳下面主要介紹四種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：1) 鉑銠10-鉑熱電偶（S型）鉑銠10-鉑熱電偶為貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm，其正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為10，含鉑為90。負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。該熱電偶長(zhǎng)期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。S型熱電偶具有準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其物理化學(xué)性能良好，在高溫下抗氧化性能好，使用于氧化和惰性氣氛中，使用廣泛。S型熱電偶缺點(diǎn)是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對(duì)污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資大。2) 鉑銠30-鉑銠6（B型）鉑銠30-鉑銠

41、6熱電偶為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm，其正極（BP）和負(fù)極（BN）的名義化學(xué)成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長(zhǎng)期最高使用溫度為1600，短期最高使用溫度為1800。B型熱電偶具有準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不是用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中。它還有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是參比端不需進(jìn)行冷端補(bǔ)償，因?yàn)樵?50范圍內(nèi)，熱電勢(shì)小于3V。B型熱電偶缺點(diǎn)是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。3) 鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）鎳鉻-鎳硅熱電偶是目前使用量最大的廉

42、價(jià)金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和，正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr=90:10,負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni:Si=97:3。其使用溫度為-2001300。K型熱電偶具有線性度好，熱電勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，抗氧化性強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。4) 鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）鎳鉻-銅鎳熱電偶又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價(jià)金屬熱電偶。其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為55的銅、45的鎳及少量的鈷、錳、鐵等元素

43、。該熱電偶電動(dòng)勢(shì)之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，易制成熱電偶堆來測(cè)量微小溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系如圖3-1所示。圖3-1 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系 由于本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)工業(yè)上的溫度采集，熱電偶不可避免的要用在高溫環(huán)境中，而且工業(yè)測(cè)溫根據(jù)性質(zhì)的不同可能會(huì)對(duì)熱電偶的精度、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)有著不同的要求，因此通過以上對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的比較，我們決定選用K型熱電偶來完成本次設(shè)計(jì)。3.1.2溫度數(shù)據(jù)采集部分的放大電路1.放大電路的功能 放大電路是把輸

44、入信號(hào)進(jìn)行放大以供后續(xù)電路使用的電路，在設(shè)計(jì)中一般都會(huì)使用集成運(yùn)放來完成此功能。由于使用熱電偶進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集得到的電信號(hào)很微弱，只有經(jīng)過放大電路放大后才能滿足后續(xù)電路對(duì)信號(hào)的處理范圍。因此可看出，放大電路在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。2.集成運(yùn)放簡(jiǎn)介 集成運(yùn)放是以雙端為輸入，單端對(duì)地為輸出的直接耦合型高增益放大器，是一種模擬集成電子器件。集成運(yùn)放內(nèi)部電路包括四個(gè)基本組成環(huán)節(jié)，分別是：輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和各級(jí)的偏置電路。對(duì)于高性能、高精度等特殊集成運(yùn)放，還要增加有關(guān)部分的單元電路。例如：溫度控制電路、溫度補(bǔ)償電路、內(nèi)部補(bǔ)償電路、過流或過流保護(hù)電路、限流電路、穩(wěn)壓電路等。圖3-2所示為集

45、成運(yùn)放內(nèi)部電路方框圖5。 輸入 輸出 輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路圖3-2 集成運(yùn)放內(nèi)部電路方框圖目前廣泛應(yīng)用的電壓型集成運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運(yùn)算放大器可非常方便的完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算（加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開方等）、信號(hào)的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)算放大器的種類非常多，可適用于不同的場(chǎng)合。按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來分，集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。1) 通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，

46、其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例A741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。2) 高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般（），為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。3

47、) 低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。4) 高速型運(yùn)算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率一定要高，單位增益帶寬一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、A715等，其，。5) 低功耗型運(yùn)算放大器由于電子電路集成化

48、的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±±，消耗電流為。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí)，例如ICL7600的供電電源為，功耗為，可采用單節(jié)電池供電。6) 高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成

49、運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V，A791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)。3.正確選擇集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件。在由運(yùn)算放大器組成的各種系統(tǒng)中，由于應(yīng)用要求不一樣，對(duì)運(yùn)算放大器的性能要求也不一樣。在沒有特殊要求的場(chǎng)合，盡量選用通用型集成運(yùn)放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)放時(shí)，盡可能選用多運(yùn)放集成電路，例如LM324、LF347等都是將四個(gè)運(yùn)放封裝在一起的集成電路。評(píng)價(jià)集成運(yùn)放性能的優(yōu)劣，應(yīng)看其綜合性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來衡量集成運(yùn)放的優(yōu)良程度，其定義為：式中，SR為轉(zhuǎn)換率，單位為V/ms，其值越大，表明運(yùn)放的交流特性越好；Iib

50、為運(yùn)放的輸入偏置電流，單位是nA；VOS為輸入失調(diào)電壓，單位是mV。Iib和VOS值越小，表明運(yùn)放的直流特性越好。所以，對(duì)于放大音頻、視頻等交流信號(hào)的電路，選SR（轉(zhuǎn)換速率）大的運(yùn)放比較合適；對(duì)于處理微弱的直流信號(hào)的電路，選用精度比較高的運(yùn)放比較合適（即失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫漂均比較?。?。實(shí)際選擇集成運(yùn)放時(shí)，除優(yōu)值系數(shù)要考慮之外，還應(yīng)考慮其他因素。例如信號(hào)源的性質(zhì)，是電壓源還是電流源；負(fù)載的性質(zhì)，集成運(yùn)放輸出電壓和電流是否滿足要求；環(huán)境條件，集成運(yùn)放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，我們選擇高阻型運(yùn)算放大器LF356完成數(shù)據(jù)采集部分的信號(hào)放大

51、功能。4.總體放大電路溫度數(shù)據(jù)采集部分的信號(hào)放大電路如圖3-3所示。圖3-3 溫度數(shù)據(jù)采集部分的信號(hào)放大電路 如圖所示，電路中LF356采用對(duì)稱雙電源供電方式，這種方式下可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上，而輸出的電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓。圖中由熱電偶溫度采集部分輸出的420mA的電流經(jīng)過取樣電阻R14的處理轉(zhuǎn)換為0.84V的電壓信號(hào)經(jīng)過LF356進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理輸出可以滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換范圍的03.2V電壓。3.1.3自動(dòng)檢測(cè)部分的信號(hào)放大器熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，卻存在

52、著以下幾方面的問題。非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。冷端補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為0時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個(gè)要求。因此，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時(shí)，須進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、查表線性化、溫度補(bǔ)償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計(jì)。如果能將上述的功能集成到一個(gè)集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡(jiǎn)化熱電偶

53、在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)。Maxim公司新近推出的MAX6675即是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱K型熱電偶信號(hào)放大與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。1.MAX6675的性能特點(diǎn)MAX6675的主要特性如下：1) 簡(jiǎn)單的SPI串行口溫度值輸出；2) 0+1024的測(cè)量范圍；3) 12位0.25的分辨率；4) 片內(nèi)冷端補(bǔ)償；5) 高阻抗差動(dòng)輸入；6) 熱電偶斷線檢測(cè)；7) 單一+5V的電源電壓； 8) 低功耗特性；9) 工作溫度范圍-2085； 圖3-4 MAX6675引腳圖10) 2000V的ESD保護(hù)。該器件采用8引腳SO貼片封裝。引腳排列如圖3-4所示，引腳功能如表3-2所列。表

54、3-2 MAX6675引腳功能引 腳名 稱功 能1GND接地端2T-K型熱電偶負(fù)極3T+K型熱電偶正極4VCC正電源端5SCK串行時(shí)鐘輸入6片選段，為低時(shí)啟動(dòng)串行接口7SO串行數(shù)據(jù)輸出8N.C.空引腳2. MAX6675的工作原理MAX6675的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。該器件是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)節(jié)放大器、12位的模擬/數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器、1個(gè)SPI兼容接口和1個(gè)相關(guān)的邏輯控制。（1）溫度變換MAX6675內(nèi)部具有將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號(hào)調(diào)節(jié)放大器，T+和T-輸入端連接到低噪聲放大器A1，以保證檢測(cè)輸入的高精度，同

55、時(shí)使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢(shì)經(jīng)低噪聲放大器A1放大，再經(jīng)過A2電壓跟隨器緩沖后，被送至ADC的輸入端。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價(jià)的溫度值之前，它需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0實(shí)際參考值之間的差值。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為，電壓可由線性公式來近似熱電偶的特性。上式中，為熱電偶輸出電壓（），是測(cè)量點(diǎn)溫度；是周圍溫度。（2）冷端補(bǔ)償熱電偶功能是檢測(cè)熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在0+1023.75范圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周圍溫度，此溫度在-20+85范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)，MAX6675仍能精確檢測(cè)熱

56、端的溫度變化。MAX6675是通過冷端補(bǔ)償檢測(cè)和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值，MAX6675從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換，以計(jì)算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)，MAX6675可獲得最佳的測(cè)量精度。因此在實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在MAX6675附近放置發(fā)熱器件或元件，因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差。圖3-5 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖（3）熱補(bǔ)償在測(cè)溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低MAX6675溫度測(cè)量精度，誤差的大小依賴于MAX6675封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。為降低芯片自熱引起的測(cè)量誤差，