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1、毕业设计说明书（论文）1无线温度采集器摘要:随着工农业生产对温湿度的要求越来越高，准确测量温度变得至关重要。本文设计主要是针对恶劣环境下的工业现场以及高科技大范围的农业现场，布线困难，浪费资源，占用空间，可操作性差等问题做出的一个解决方案。该方案主要是利用热电偶采集外界的温度，利用无线传输实现在上位机显示采集到的温度，并对数据进行相应的对比和处理。关键词：温度数据采集、无线传输、热电偶1引言本文主要利用两路热电偶采集温度的模拟量，并且利用热电偶串行模数转换器实现信号放大、冷端补偿和 A/D 转换，再由单片机进行处理，并通过无线传输模块将测量的数值传输给 PC 机，在 PC 机上实现数据的对比，
2、从而可以对工业现场和农业现场的环境温度进行实时监测，并且利用该设计还可以实现对热电偶测量准确度的现场检测。本设计结构简单，但应用范围广泛，使用方便，而且节约资源，同时可以进行远距离的监控。2总体方案设计能实现本次设计任务要求的方案不只一种，它们各有利弊。工作环境、测量精度、要求不相同时，选择的方案亦有所区别。所以，我们要根据设计的具体要求，对能实现设计的多种方案进行论证，从中选择出适合设计要求的最佳方案。21 方案一：定点温度采集系统方案一的原理框图如图 2-1 所示。方案一所设计的无线温度采集系统主要由一个上位机模块和一个下位机模块组成，上位机模块和下位机模块之间采用无线数据通道联系。上位机
3、模块能对整个无线数据采集系统的运行进行管理和控制，下位机模块主要实现温度的多点数据采集。下位机模块以单片机为控制核心，主要包括温度传感器信号调理电路、模数转换电路和无线发射电路。上位机模块主要是单片机控制下的无线接收电路和 PC 机与无线收发单元间的串口通信电路。（1）温度传感器信号调理电路温度传感器信号调理电路主要包括热电偶、信号放大器和低通滤波器，完成温度数据采集的功能。其中热电偶将温度信号转换成电压量；放大器将传感器输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换的转换范围。（2）模数转换电路模数转换电路是用 A/D 转换器接收来自放大器的模拟信号，并将其转换成数字信号提供给发射电路。（3
4、）无线发射电路无线发射电路是由单片机控制，从发送端（模数转换）接收数据，并用无线收发芯片对收到的数据进行编码，然后通过输出端口输出。（4）无线接收电路无线接收电路是接收发射电路发送的信号，通过无线收发芯片进行译码，成为上位机可显示的数据。（5）PC 机与无线收发单元间的通信电路系统采用一个接口芯片连接 PC 机与无线收发单元，通过该接口芯片实现数据传送和在 PC 机上显示温度采集结果。毕业设计说明书（论文）2热电偶信号放大器低通滤波器模数转换器单片机无线发射芯片信号调理电路无线接收芯片单片机接口芯片PC机图 2-1 方案一系统框图2. 2 方案二：自动检定温度采集系统方案二的原理框图如图 2-
5、2 所示。方案二所设计的无线温度采集系统同样是由一个上位机模块和一个下位机模块构成，上位机模块与下位机模块之间采用无线数据通道联系。上位机模块能对整个无线数据采集系统的运行进行管理和控制，下位机模块主要实现温度的多点数据采集。下位机模块包括两部分电路，一路是数据采集部分，一路是数字式自动检测部分；上位机是单片机控制下的无线接收电路和 PC 机与无线收发单元间的串口通信电路。（1）温度传感器电路数据采集电路主要包括温度采集电路的电流信号输出完成被测传感器的数据采集功能。其中温度采集器使用的是 DB18B20 的数字式温度计。（2）无线发射电路无线发射电路是由单片机控制，从发送端（模数转换）接收数
6、据，并用无线收发芯片对收到的数据进行编码，然后通过输出端口输出。（3）无线接收电路无线接收电路是接收发射电路发送的信号，通过无线收发芯片进行译码，成为上位机可显示的数据。（4）PC 机与无线收发单元间的通信电路系统采用一个接口芯片连接 PC 机与无线收发单元，通过该接口芯片实现数据传送和在 PC 机上显示温度数据采集的结果以及被测温度的检定结果。单片机控制系统PC上位机UART通信无线通信模块图 2-2（a）协调器端毕业设计说明书（论文）3方案一是对一个定点进行温度数据采集，经过各部分电路的处理后，通过无线通信的方式发送到 PC 机上进行显示，很显然，这是典型的一路无线温度采集系统；方案二是在
7、温度数据采集的同时对使用的传感器进行自动的现场检定，两部分的数据通过无线传输的方式发送到 PC 机上进行显示和对比，从而确定被测热电偶的性能情况，这是带自动检定的无线温度采集系统。在工业上，传统的检定装置由程序给定器、PID 调节器、温度显示记录仪、可控硅等组成控制系统来控制温度，等待炉温稳定后，用手动电位差计测量毫伏电动势，然后手动查表、数据处理。这种方法操作繁琐、耗时长、浪费能源，也易带来一些人为误差。方案二设计的就是一种简易的数字式温度无线传输系统。从根本上说，方案一与方案二的最大的区别就是方案二的设计简单明了，无论是在硬件设计上还是在软件设计上方案二都占有很大的优势。因此我确定方案二为
8、本次设计的最终方案。3.分电路设计和论证31 温度传感器电路设计和论证311 方案一：红外温度传感器电路信号调理电路的原理如图3-1 所示，一共分为3 个部分，分别是电流/电压转换模块、滤波模块1.电流/电压转换模块图3-1 调理电路该测试系统选用的传感器为非接触式红外温度传感器，测温范围为 25 80，模拟输出为4 20 mA 两线制电流输出。为此，需要将其转换成1 5 V 的电压信号，以便输送给数据采集卡进行采集。其中最简单的方法是加一个250 的电阻，但这样发热功率太大，并且会对负载产生一定的影响。因此本文借助放大器设计了一个图 2-2（b）方案二系统框图温湿度传感器无线通信模块嵌入式单
9、片控制系统电源系统毕业设计说明书（论文）4适用于本文的电流/电压转换电路，所设计的电路如图3-2 所示。图3-2电流/电压转换电路图2. 滤波模块由于温度信号为低频信号，同时为了抑制环境干扰源消除高频噪声，需要进行低通滤波。在实际的滤波器设计中，有很多种响应去逼近具有理想特性的滤波器。成熟的逼近方法有巴特沃斯响应、切比雪夫响应、椭圆响应、贝赛尔响应等2。巴特沃斯滤波器有着最为平坦的通带幅值响应，但高于截止频率的衰减度不是很大，且相位线性度不是很好; 贝赛尔滤波器的相位特性最好，但高于截止频率的衰减度最小，且通带幅值响应不是很好; 而切比雪夫滤波器在高于截止频率时有着最大的衰减度，但位线性度最差
10、，且在通带范围内会发生谐振现象3。本电路选取了各项指标都较均衡且具有最好幅值响应的巴特沃斯滤波器。312方案二： 数字式温度传感器信号调理电路数据采集部分的电路由温度采集电流输出电路组成，这一模块的功能就是将采集到的温度数据无线发送出去。温度传感器是现代社会中发展最迅速应用最广泛的传感器，广泛应用于农业，工业调试现场领域，而且在科学研究领域中也发挥着巨大的作用。温度传感器主要可以分为接触式和非接触式传感器两种15。我们平时所用到的温度传感器一般为接触式传器即将被测物体与传感器接触在一起，根据热量由高温物体向低温物体传递的原理，让传感器直接感受被测物体的温度，这样测得的温度直接反映了被测物体的温
11、度，真实性直观性好。还有一种是通过测量物体的热辐射所发出的红外线来测量物体的温度，成为非接触式温度传感器，这种方式对技术要求比较高。 我们所设计的系统是要把传感器埋到地表以下，甚至是在冬天把传感器放在冻土层里的，所以这里我们选择接触式温度传感器，主要有热电偶传感器集成温度传感器等。一 热电偶1.热电偶的功能热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一。在数据采集与控制系统中，热电偶处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，对系统的功能起了决定性的作用。因此，只有根据系统要求，选择合适的热电偶，才能得到精确可靠的温度数据
12、。2.热电偶的工作原理目前对热电偶的工作原理有两种解说，都应该是正确的，下面我们将分别介绍这两种说法。（1）热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存毕业设计说明书（论文）5在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温
13、度相同，热电偶所生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。（2）两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端） ，另一端叫做冷端（也称为补偿端） ；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。3.热电偶的几个注意事项热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测
14、量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题： 1) 热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2) 热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关； 3) 当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，则热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。4.热电偶的冷端补偿由热电偶测温公式得知，热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定时，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。当热电偶冷端处在温度波动较大
15、的地方时，必需首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，在考虑将冷端处理为 0，这称为热电偶的冷端处理和补偿。下面介绍几种冷端处理的方法：1) 补偿导线法补偿导线在 100（或 200）以下的温度范围内，具有与热电偶相同的热电特性，用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。热电偶补偿导线通常有补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。热电偶补偿导线有两方面的功能：其一实现冷端迁移；其二是降低电路成本。当热电偶与测量仪表距离较远时，使用补偿导线，可节约热电偶材料，尤其对贵金属热电偶来说，经济效益更是明显。2) 热电偶冷端温度恒温法在一个保温瓶里放冰水混合物，1 个标准大气压下（101.32
16、5kPa）冰和纯水的平衡温度为 0，在密封的盖子上插入若干支试管，试管的直径尽量小，并有足够的插入深度。试管底部有少量高度相同的水银或变压器油，若放水银则可把补偿导线与铜导线直接插入试管中的水银里，形成导电通路，不过在水银上面应加少量蒸馏水并用石蜡封结，以防止水银蒸发和溢出。若改用变压器油代替水银，则必须使补偿导线与铜导线接触良好。自由端恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。3) 冷端补偿电桥法4) 补偿电桥法是利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引毕业设计说明书（论文）6起的热电势的变化值，补偿电桥的 4 个桥臂中有一个臂是铜电阻作为感温元件，其余3 个臂由阻值恒定的锰铜电阻制成。5) 桥臂铜电阻必须和热电偶的冷端处于同一温度下。电桥在 0设计的铜电阻的阻值与其余 3 个桥臂电阻相等，这时电桥处于平衡状态。当冷端温度变化（比如升高） ，热电偶产生的热电势也将变化（减小） ，而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升
