1、用于礦井領域的智能溫度傳感器的設計摘要礦用溫度傳感器是為檢測煤礦井下環(huán)境溫度而研制的，它可以連續(xù)將井下溫度信號轉換成標準頻率信號傳送給上位機，并具有實時顯示溫度值、超限聲光報警、頻率信號輸出等功能。適宜于井下需設置溫度傳感器的場所固定使用。 本文在分析當前國內外溫度傳感器概況的基礎上，結合礦用溫度傳感器通用技術條件的設計要求，提出總體設計方案，并對系統(tǒng)的理論基礎、實現(xiàn)方法、硬件和軟件設計等做了詳細的討論。系統(tǒng)選擇 DS18B20 作為測溫傳感器，以單片微機AT89C52 為中央處理單元，由溫度采集電路、數(shù)字顯示電路、聲光報警電路、信號輸出電路等單元組成。軟件設計采用模塊化編程方法，軟件程序的編

2、寫使用匯編語言及Keil C 的集成開發(fā)環(huán)境，主要子程序有：主監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)測溫子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、信號輸出子程序、遙控子程序等。同時，在軟硬件設計時均采取了有效的抗干擾措施。最后，對設計參數(shù)進行了安全性計算。經過試驗及測試證明：該系統(tǒng)具有可靠性高、功能強等特點，有著廣闊的開發(fā)應用前景。關鍵詞： 溫度傳感器；煤礦；DS18B20；紅外遙控 1智能傳感器的定義和實現(xiàn)途徑智能傳感器（intelligent sensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。一般智能機器人的感覺系統(tǒng)由多個傳感器集合而成，采集的信

3、息需要計算機進行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優(yōu)點：通過軟件技術可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。智能傳感器的“智能”主要體現(xiàn)在強大的信息處理功能上。在技術上有以下一些途徑來實現(xiàn)。在先進的傳感器中至少綜合了其中兩種趨勢，往往同時體現(xiàn)了幾種趨勢。1）采用新的檢測原理和結構實現(xiàn)信息處理的智能化。采用新的檢測原理，通過微機械精細加工工藝設計新型結構，使之能真實地反映被測對象的完整信息，這也是傳感器智能化的重要技術途徑之一。例如多振動智能傳感器，就是利用這種方式實現(xiàn)傳感器智能化的。工程中的振動通常

4、是多種振動模式的綜合效應，常用頻譜分析方法分析解析振動。由于傳感器在不同頻率下靈敏度不同，勢必造成分析上的失真。采用微機械加工技術，可在硅片上制作出極其精細的溝、槽、孔、膜、懸臂梁、共振腔等，構成性能優(yōu)異的微型多振動傳感器。目前，已能在2mm4mm的硅片上制成50條振動板、諧振頻率為414kHz的多振動智能傳感器。2）應用人工智能材料實現(xiàn)信息處理的智能化 利用人工智能材料的自適應、自診斷、自修復、自完善、自調節(jié)和自學習特性，制造智能傳感器。人工智能材料具有感知環(huán)境條件變化（普通傳感器的功能），自我判斷（處理器功能）及發(fā)出指令和自我采取行動（執(zhí)行器功能）。因此，利用人工智能材料就能實現(xiàn)智能傳感器

5、所要求的對環(huán)境檢測和反饋信息調節(jié)與轉換的功能。人工智能材料種類繁多，例如半導體陶瓷、記憶合金、氧化物薄膜等。按電子結構和化學鍵分為金屬、陶瓷、聚合物和復合材料等幾大類；按功能特性又分為半導體、壓電體、鐵彈體、鐵磁體、鐵電體、導電體、光導體、電光體和電致流變體等集中按形狀分為塊材、薄膜和芯片智能材料。3）集成化 集成智能傳感器是利用集成電路工藝和微機械技術將傳感器敏感元件與功能強大的電子線路集成在一個芯片上（或二次集成在同一外殼內），通常具有信號提取、信號處理、邏輯判斷、雙向通訊等功能。和經典的傳感器相比，集成化使得智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強大等優(yōu)點

6、。4）軟件化 傳感器與微處理器相結合的智能傳感器，利用計算機軟件編程的優(yōu)勢，實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的信息處理功能主要包括以下兩方面：運用軟件計算實現(xiàn)非線性校正、自補償、自校準等，提高傳感器的精度、重復性等。用軟件實現(xiàn)信號濾波,如快速傅里葉變換、短時傅里葉變換、小波變換等技術,簡化硬件、提高信噪比、改善傳感器動態(tài)特性； 運用人工智能、神經網絡、模糊理論等，使傳感器具有更高智能即分析、判斷、自學習的功能。 5）多傳感器信息融合技術 單個傳感器在某一采樣時刻只能獲取一組數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量少，經過處理得到的信息只能用來描述環(huán)境的局部特征，且存在著交叉敏感度的問題。多傳感器系統(tǒng)通過多個傳感器獲得更多種類和數(shù)量的傳

7、感數(shù)據(jù)，經過處理得到多種信息能夠對環(huán)境進行更加全面和準確的描述。 6）網絡化 獨立的智能傳感器，雖然能夠做到快速準確地檢測環(huán)境信息，但隨著測量和控制范圍的不斷擴大，單節(jié)點、被動的信息獲取方式已經不能滿足人們對分布式測控的要求，智能傳感器與通信網絡技術相結合，形成網絡化智能傳感器。網絡化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展；從被動檢測向主動進行信息處理方向發(fā)展；從就地測量向遠距離實時在線測控發(fā)展。傳感器可以就近接入網絡，傳感器與測控設備間無需點對點連接，大大簡化了連接線路，節(jié)省投資，也方便了系統(tǒng)的維護和擴充。2智能溫度傳感器的應用背景介紹在民用、工用、軍用等領域的實際生產

8、中越來越需要一種傳感器能夠采集溫度信號進行處理溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關，在工業(yè)生產過程中需要實時測量溫度，在農業(yè)生產中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經歷了三個發(fā)展階段:傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，模擬集成溫度傳感器，智能集成溫度傳感器.目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網絡化的方向飛速發(fā)展.本設計選擇集成電路溫度傳感器DS18B20作為傳感器器測量溫度.該裝置適用于工、農業(yè)生產用于溫度測量.3智能溫度傳感器的設計 3.1原理和功能描述礦用溫度傳感器將測得的溫

9、度值通過一線總線輸入到微控制器中，微控制器將采集到的溫度值處理，獲得高精度的測量結果，送LED 數(shù)碼管顯示，同時計算出對應的頻率信號，輸出給監(jiān)控系統(tǒng)的工作站，上傳給監(jiān)控主機。如果檢測溫度超過傳感器的溫度報警設定值，則發(fā)出聲光報警提示。圖1：礦用溫度傳感器系統(tǒng)框圖3.2硬件設計在主CPU電路設計中，我們選用了AT89C52 作為主控芯片。根據(jù)通用技術條件中關于傳感器到數(shù)據(jù)采集裝置之間傳輸信號的統(tǒng)一規(guī)定，頻率輸出方式是推薦方式；并且所設計的礦用溫度傳感器是與KJ93 型礦井安全生產監(jiān)控系統(tǒng)相配套使用的，系統(tǒng)要求與之相配套的傳感器 以頻率的方式向其傳輸信號。而AT89C52 的P1.0 口恰好可直接

10、輸出占空比為50的方波，利用P1.0 輸出由溫度轉換成的頻率值，這對電路設計與編程都提供了 很大的方便。故在設計中選擇用AT89C52 的P1.0 口來輸出與溫度值對應的頻率，以供其上位機接收、處理。 主CPU 電路由頻率輸出電路、溫度測量電路、看門狗電路、遙控電路、穩(wěn)壓電源、顯示電路、報警電路等幾部分組成。圖2：主CPU電路結構圖3.2.1 AT89C52 單片機接口配置AT89C52 是美國ATMEL公司生產的一個低電壓、高性能8 位CMOS單片機，片內含8Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密

11、度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS-51 指令系統(tǒng)及8052 產品引腳兼容，片內置通用8 位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大，AT89C52 單片機適合于許多較為復雜的控制應用場合。C51系列單片機豐富的資料及AT89C52 組成的系統(tǒng)又不需要擴展程序內存，給用戶帶來很大的方便。AT89C52 提供的8K字節(jié)FLASH ROM, 256 字節(jié)RAM, 32 線I/O口，3 個16 位定/計數(shù)器，6 向量兩級中斷，一個全雙工串行口，片內振蕩器和時鐘電路等。圖3：AT89C52系統(tǒng)接口配置圖3.2.2 DS18B20 測溫電路設計 由于DS18B20 為一線總線器件，在電路設

12、計時只通過一條I/O 線(即DQ 數(shù)據(jù)線)與主CPU 的某一個端口相連接即可，余下的工作就是根據(jù)時序和通訊協(xié)議來編程。所以其電路的設計主要選擇電源的供電方式，以達到最佳的測量效果。 DS18B20 的供電方式有兩種：外部電源供電方式，寄生電源供電方式。 (1) 外部電源供電方式及電路連接 在這種供電方式中，DS18B20 直接通過VDD端與外部供電電源相連。這種供電方式優(yōu)于寄生電源方式之處是，在溫度轉換期間，不需要MOSFET 的上拉作用，一線總線可以自由地傳送別的信息。外部電源供電方式連接如下圖所示： 圖4：DS18B20外部供電方式圖 (2) 寄生電源供電方式及電路連接 在這種供電方式中，

13、DS18B20 可以在一線總線為高電平時，通過DQ 端獲得供電，同時為其內部的寄生電容Cpp 充電；當一線總線為低電平時，可以通過其內部的寄生電容Cpp 為其提供充足的工作電流。 從原理上分析，在DS18B20 內部執(zhí)行溫度轉換或從便箋數(shù)據(jù)緩沖存儲器復制數(shù)據(jù)到EEPROM 時，其工作電流可達到1.5mA，此時寄生電容Cpp 不能提供足夠的電流，要靠MOSFET 直接上拉總線來提供充足的電流，并且必須在發(fā)出溫度轉換命令或復制命令之后最大10S 之內完成上拉的切換，這樣才能保證溫度轉換或復制數(shù)據(jù)的正常進行。 此外，DS18B20 在寄生電源供電方式下，VDD端必須與GND 端相連。寄生電源供電方式

14、連接如下所示：圖5：DS18B20寄生電源供電方式圖在設計DS18B20 測溫電路時，考慮到DS18B20 在執(zhí)行溫度轉換或讀寫EEPROM時電流高達1.5mA，以及對時序要求的嚴格性和抗干擾措施。為了避免測溫時序的出錯，并以最優(yōu)化的方式、最安全的方式來設計硬件電路與軟件編程，我們選擇使用外部供電方式對DS18B20 進行供電。(3) DS18B20 的電路驅動設計 根據(jù)定義，單線總線只有一根線，這意味著總線上的每個器件只能分時驅動單線總線，并要求每個器件必須具有漏極開路輸出或三態(tài)輸出的特性，DS18B20、的單線接口DQ 端屬于漏極開路輸出。在單線總線上必須接上拉電阻，其電阻值約為5K(標稱

15、值可取5.1K或4.7K)。DS18B20 與主CPU 的電路接法如下圖所示，TX、RX 分別表示發(fā)送與接收。圖6：DS18B20與主CPU連接方式圖從時序上分析，單線總線在空閑狀態(tài)下呈高電平。操作單線總線時，必須從空閑狀態(tài)開始。單線總線加低電平的時間超過480S 時，總線上所有的器件均被復位。在主CPU 發(fā)出復位脈沖之后，從屬器件就發(fā)出應答脈沖(PRESENCE PULSE)，來通知主CPU 它已做好了接收數(shù)據(jù)和命令的準備。這在軟件編程時應特別注意。3.2.3 顯示電路顯示輸出是智能儀器系統(tǒng)必不可少的輸出設備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。智能儀器必須具有方便的人機交互功能，這樣操作人

16、員可以通過系統(tǒng)顯示的內容，及時掌握系統(tǒng)的狀態(tài)、獲得所需要的信息。常用的顯示器有LED、LCD、CRT 等。本著經濟、實用的原則，系統(tǒng)采用LED 顯示器。LED顯示器，具有價格低、壽命長、對電壓電流的要求低及容易實現(xiàn)多路等優(yōu)點。4 位LED顯示器有4 根位選線和84 段選線，段選線控制字符選擇，位元選線控制顯示位元的亮、暗。在此選用動態(tài)顯示方法，LED動態(tài)顯示電路單片機的接口電路如下圖所示圖7：LED顯示電路4 位LED 動態(tài)顯示需要一個8 位I/O 口和另外4 位I/O 口，其中一個控制段選碼，另外一個控制位的選碼。由于所有位的段選線皆有一個I/O 口控制，因此每個瞬間，只能顯示相同的字符，可

17、采用掃描顯示方式使在每一瞬間只使某一位顯示相應字符。在此瞬間，用1K 的上拉電阻控制I/O 輸出相應字符段一位一位顯示。用上拉電阻控制I/O 輸出相應字符的段選碼，位選擇控制I/O 在顯示位元送入選通電平(在此為共陰極，即選通電平為低電平)以保證該位顯示相應字符，如此輪流，使每位顯示該位應顯示字符并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果，看起來不會有閃動的感覺。我們用低3 位來顯示溫度值，高1 位為方式選擇位。其中溫度值包括一位小數(shù)位與二位整數(shù)位，可顯示的溫度范圍為：0.0099.9。根據(jù)通用技術條件中溫度范圍的設計規(guī)定，系統(tǒng)只選用其中的部分：0.050.0。3.2.4穩(wěn)壓源電路所設計的礦用溫度

18、傳感器系統(tǒng)，是由井下分站輸出的直流7-18V 來供電，它經三端穩(wěn)壓器LM7805 穩(wěn)壓后輸出+5V，供系統(tǒng)使用。為了保證礦用溫度傳感器的穩(wěn)定工作，對供電電壓精度有一定要求，穩(wěn)壓源電路如下圖所示。圖8：穩(wěn)壓源電路3.3軟件設計3.3.1主程序系統(tǒng)軟件主程序是傳感器進行測溫的主監(jiān)控程序，按照軟件模塊化設計的原則，將系統(tǒng)功能劃分為多個子任務，每個子任務由對應的子程序來實現(xiàn)；再將這些子程序有機地整合在一起，從而實現(xiàn)溫度采集等各功能。這樣地設計，一方面可以理清設計者的思路；再者，模塊化的設計，可以方便地編寫與調試程序。 系統(tǒng)軟件主要包括：首先是初始化子程序，然后是通過調用各子程序(包括獲取溫度子程序、頻

19、率輸出子程序、碼制轉換子程序、顯示子程序、延時1ms 子程序等)分別完成溫度測量、LED 數(shù)碼顯示、聲光報警、頻率輸出等一系列功能。圖9：主程序流程圖MAIN: LOOP: LCALL MAIN_INIT ；調用初始化子程序 LCALL GET_TEMPER ；調用獲取溫度(GET_TEMPER)子程序 LCALL FRE_OUT ；調用頻率(FRE_OUT)輸出了程序 LCALL BIN_BCD ；調用碼制轉換(BIN_BCD)子程序 LCALL DISPLAY ；調用顯示(DISPLAY)子程序 LCAL L DELAY1 ；調用延時(DELAY1)1ms 子程序 LJMP LOOP 3.

20、3.2初始化子程序在這一部分，我們設置了對看門狗電路MAX813L 的初始化及控制操作，也就是說，在程序正常運行時，每隔一定時間程序AT89C52 要對MAX813L 發(fā)出脈沖信號，使其計數(shù)器不斷清零，從而判斷程序是正常執(zhí)行的。 如果MAX813L在規(guī)定時間內沒有收到AT89C52的P1.6引腳發(fā)出的脈沖信號，則表明程序出現(xiàn)了異常（如程序彈飛），MAX813L 內部的計數(shù)器將會溢出，1.6秒之后MAX813L 就會控制其RESET 引腳向AT89C52 的RESET 輸出一個復位信號，使系統(tǒng)自動回復到正常運行狀態(tài)，使程序不致出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。 初始化子程序如下： MAIN_INIT: ；以下是對看

21、門狗MAX813L 進行初始化操作的子程序 NOP NOP NOP SETB P1.7 ；發(fā)送復位脈沖給MAX813L NOP NOP NOP CLR P1.7 NOP RET 3.3.3數(shù)字測溫系統(tǒng)子程序首先由主CPU發(fā)出一個復位脈沖，然后由從屬器件發(fā)出應答脈沖，通知主CPU復位成功。初始化時主CPU先發(fā)出一個復位脈沖，此脈沖延時時間最小480S，將單線總線上的所有DS18B20 復位；然后釋放單線總線，改成接收狀態(tài)，單線總線被上拉電阻R拉成高電平；在檢測到此上升沿后。DS18B20 需要等待1560S才向主CPU發(fā)出響應脈沖，此響應脈沖的延時時間在60240S之間。在主CPU釋放總線開始的

22、至少480S的時間內，都算是感溫元件的響應時間，而且DS18B20 必須在此時間內完成復位，響應主CPU，這樣才算復位成功。 圖10：數(shù)字測溫子系統(tǒng)流程圖3.3.4顯示子程序 一般地，對一個監(jiān)控系統(tǒng)而言，當前監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示是系統(tǒng)必不可少的組成部分。這樣可以直觀地將結果顯示，是人機交互的最佳輸出方式。 我們設計的顯示子程序是對溫度傳感器DS18B20采集的數(shù)據(jù)進行顯示，通過P2口的03端口來控制相應的位，并根據(jù)轉換來的數(shù)值調用相應的段碼送去顯示。 每一位顯示需先去段碼表取相應段碼，然后送P2口即可。顯示子程序部分的流程圖如圖4-10所示： 顯示子程序部分代碼如下： DISPLAY: CLR C

23、；溫度大于等于20，報警 MOV A,TEMP_L CJNE A,#20,AA1 CLR P2.4 LCALL DELAY0 LJMP AA0 AA0： MOV DPTR,#INT_TABLE RET 圖11：顯示子程序流程圖3.4系統(tǒng)試驗與測試在傳感器的開發(fā)、調試及維護中，需要對其輸出的大量測量資料進行觀察和記錄，用來分析傳感器的測量精度、現(xiàn)場干擾程度及特點，判斷傳感器是否工作正常等。按照以上各章所述的硬件和軟件設計制成樣機，并對其性能進行測示。具體操作過程是：將傳感器接入KJ93 安全監(jiān)控系統(tǒng)，信號輸出接入1km 傳輸電纜PUYV-39 礦用電纜仿真線，根據(jù)上述通用技術條件要求，在實驗室穩(wěn)

24、定性與精度試驗中，我們選擇的測試條件為： 1) 測試環(huán)境溫度：約20； 2) 直流穩(wěn)壓電源：輸出1224V(d.c.)的可變直流穩(wěn)壓電源，輸出電流1A； 3) 仿真線：傳感器通過1km 仿真電纜和分站相連； 4) 輸出負載：500(包括負載與電纜電阻之和) 5) 試驗儀器：浙江藍天DC-6恒溫槽，溫度范圍-6100；溫度波動0.05?？商峁└呔鹊模瑴囟染鶆虻暮愣▓鲈?。 上述測試條件滿足通用技術條件的要求。將焊接好的兩只礦用溫度傳感器放在相同的測試儀器中，使測試的外界條件一致。我們選用12V(d.c.)穩(wěn)壓電源供電，對兩只傳感器同時進行測試，在通電30 分鐘后，開始記錄測試數(shù)據(jù)，測試時間為2

25、天，測試期間不斷電，從早上8 點開始測試，每半個小時記錄一次數(shù)據(jù)，記錄到晚上11 點，每天共15 個小時。當然，我們只選取一天從早8 點到11 點的記錄數(shù)據(jù)進行分析結束語本課題對礦用溫度傳感器系統(tǒng)的硬件及軟件進行了全面設計，其內容主要反映在以下幾方面： (1) 整個系統(tǒng)在優(yōu)化硬件配置的基礎上采用小型化、一體化設計，所有電路芯片如溫度采集器件、反相器等器件，采用低價格、小體積、高集成度器件，從而電路簡化、電路板尺寸很小。礦用溫度傳感器主要是窄量程范圍使用，具有加工工藝簡單，靈敏度高等特點，將有廣泛的用途。 (2) 軟件中設計了較完善的智能算法與數(shù)據(jù)處理，在采用低價格8 位微控制器及要求快速數(shù)據(jù)處

26、理的情況下，通過優(yōu)化算法和編程，軟件編程中采用了數(shù)據(jù)巧妙處理等多種方法，使傳感器具有了較高的智能化程度。 (3) 完成了單片機對紅外遙控碼的解碼過程，實現(xiàn)了儀器的紅外遙控功能。具有距離適中，控制靈敏的特點。 目前，礦用溫度傳感器系統(tǒng)的研究和開發(fā)多處于成熟階段，但適合于礦井這樣具有特殊要求的環(huán)境而言，比較前沿的礦用溫度傳感器系統(tǒng)國內并不多。本系統(tǒng)通過了原理性實驗，基本上滿足了設計要求。但是要使之產品化，還需要對系統(tǒng)進行進一步的改進和調試。相信經過不懈的努力，在較短的時間內，一定會使之成為一臺真正的儀器。 通過這次設計，我學到很多寶貴的東西，學會了課題研究的一般過程，學會了如何解決實踐中遇到的難題

27、，將近幾年所學的理論知識和實際相結合起來，在一定程度上提高自己的動手能力和問題解決能力。參考文獻1 沙占友智能化集成溫度傳感器原理與應用機械工業(yè)出版社，2002:1-5 2 王克軍國外低溫溫度傳感器的研制現(xiàn)狀低溫工程，2002(5):3-4 3 馮平智能位移傳感器系統(tǒng)的研究：博士學位論文浙江：浙江大學，2000 4 高世海，田 仲溫度傳感器及其與微處理器接口電子技術應用，2000.9 5 劉篤仁，韓保君傳感器原理及應用技術西安：西安電子科技大學出版社，2004:17-35 分組報告的內容總結：ADXL05型單片加速度傳感器的應用性能指標： 1.力平衡式加速度傳感器 2.量程:15g（1g=9.8m/s2)分辨力可達0.005g 3. 加速度計的電壓比例系數(shù)為Kp