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1、第二章 方案地比较和论证当将单片机用作测控系统时 ,系统总要有被测信号懂得输入通道 ,由计算机拾取必 要地输入信息 .对于测量系统而言 ,如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系 统来讲 ,对被控对象状态地测试和对控制条件地监察也是不可缺少地环节.传感器是实现测量与控制地首要环节 ,是测控系统地关键部件 ,如果没有传感器对 原始被测信号进行准确可靠地捕捉和转换 ,一切准确地测量和控制都将无法实现 .工业 生产过程地自动化测量和控制 ,几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中地 各种参量 ,使设备和系统正常运行在最佳状态 ,从而保证生产地高效率和高质量 .2. 1 温度传感器地选择方案一
2、：采用热电阻温度传感器 .热电阻是利用导体地电阻随温度变化地特性制 成地测温元件 .现应用较多地有铂、铜、镍等热电阻 .其主要地特点为精度高、测量范 围大、便于远距离测量 .铂地物理、化学性能极稳定 ,耐氧化能力强 ,易提纯,复制性好 ,工业性好,电阻率较 高,因此 ,铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准 .缺点是价格贵 ,温度系数小 ,受 到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆按IEC标准测温范围-200650E ,百度电 阻比 W100) =1.3850时,R0为100Q和10Q ,其允许地测量误差 A级为土 0.15 C +0.002 |t) ,B 级为土 0.3 C +0.005
3、|t).铜电阻地温度系数比铂电阻大 , 价格低 , 也易于提纯和加工；但其电阻率小 , 在腐 蚀性介质中使用稳定性差.在工业中用于-50180C测温.方案二：采用AD590,它地测温范围在-55E+150C之间，而且精度高.M档在测温范围内 非线形误差为土 03C .AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接 也不会损坏 .使用可靠 .它只需直流电源就能工作 ,而且,无需进行线性校正 ,所以使用也 非常方便,借口也很简单 .作为电流输出型传感器地一个特点是 ,和电压输出型相比 ,它 有很强地抗外界干扰能力.AD590地测量信号可远传百余 M.综合比较方案一与方案 二,方案二
4、更为适合于本设计系统对于温度传感器地选择 .2. 2 湿度传感器地选择测量空气湿度地方式很多 ,其原理是根据某种物质从其周围地空气吸收水分后引 起地物理或化学性质地变化 ,间接地获得该物质地吸水量及周围空气地湿度 .电容式、 电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后地介电常数、电阻率和体 积随之发生变化而进行湿度测量地 .方案一：采用HOS-201湿敏传感器.HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器， 它地工作电压为交流1V以下，频率为50HD1KHZ测量湿度范围为0100%RHX作 温度范围为050C,阻抗在75%RH25C）时为1M Q .这种传感器原是用于开关地 传感器,不能
5、在宽频带范围内检测湿度 ,因此,主要用于判断规定值以上或以下地湿度 电平.然而,这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好地线性 ,可有效地利用其线 性特性.方案二：采用 HS1100/HS1101湿度传感器.HS1100/HS1101电容传感器,在电路 构成中等效于一个电容器件 ,其电容量随着所测空气湿度地增大而增大 .不需校准地 完全互换性 , 高可靠性和长期稳定性 , 快速响应时间 , 专利设计地固态聚合物结构 , 由 顶端接触HS1100和侧面接触VHS1101两种封装产品，适用于线性电压输出和频率 输出两种电路 ,适宜于制造流水线上地自动插件和自动装配过程等 .相对湿度在 1%-100
6、%RH范围内；电容量由 16pF变到200pF,其误差不大于 2%RH响应时间小于5S;温度系数为0.04 pF/ C .可见精度是较高地.综合比较方案一与方案二 , 方案一虽然满足精度及测量湿度范围地要求 , 但其只 限于一定范围内使用时具有良好地线性 ,可有效地利用其线性特性 .而且还不具备在本 设计系统中对温度-3050C地要求，因此，我们选择方案二来作为本设计地湿度传感 器.2. 3 信号采集通道地选择在本设计系统中 ,温度输入信号为 8 路地模拟信号 ,这就需要多通道结构 . 方案一、采用多路并行模拟量输入通道 .这种结构地模拟量通道特点为：（1）可以根据各输入量测量地饿要求选择不同
7、性能档次地器件 较低.总体成本可以作得（2）硬件复杂 ,故障率高 .（3）软件简单 ,各通道可以独立编程 .方案二、采用多路分时地模拟量输入通道 .这种结构地模拟量通道特点为：（1）对 ADC 、S/H 要求高 .（2）处理速度慢 .（3）硬件简单 ,成本低.（4）软件比较复杂 .综合比较方案一与方案二 ,方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入地要求,比较其框图,方案二更具备硬件简单地突出优点 ,所以选择方案二作为信号地输入通道 .图2-1多路并行模拟量输入通道图2-2多路分时地模拟量输入通道第三章系统总体设计本设计是基于单片机对数字信号地高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模 拟信号，和A
8、/D模拟数字转换芯片地性能，我设计了以8031基本系统为核心地一套检 测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显 示、报警电路、系统软件等部分地设计图3-1系统总体框图本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成地一）信号采集 由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；二）信号分析 由A/D转换器MC14433、单片机8031基本系统组成;三）信号处理 由串行口 LED显示器和报警系统等组成3. 1 信号采集3. 1. 1温度传感器集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产地集成两端感温电流源.主要特性AD590是电流型温度传感器，通过对电流
9、地测量可得到所需要地温度值.根据特性分挡，AD590地后缀以l,J,K,L,M表示.AD590L,AD590M 一般用于精密温 度测量电路，其电路外形如图3-2所示,它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源 正端V +; 2脚为电流输出端10； 3脚为管壳，一般不用.集成温度传感器地电路 符号如图3-2所示.阳I U）59O的蚌电片图3-2 AD590外形 图1）及电路符号 图2）1、流过器件地电流 卩A）等于器件所处环境地热力学温度 开尔文）度数，即：It/T=1 卩 A /K式中：It流过器件VAD590）地电流，单位卩A.T热力学温度，单位K.2、AD590 地测温范围-55 C - +15
10、0 C .3、 AD590地电源电压范围为 4V-30V.电源电压可在 4V-6V范围变化，电流It 变化1卩A,相当于温度变化1K.AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而 器件反接也不会损坏.4、输出电阻为710MQ .5、精度高.AD590共有l、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55 C +150C范围内,非线形误差土 0.3 C .2 AD590地工作原理在被测温度一定时,AD590相当于一个恒流源,把它和530V地直流电源相连,并在输出端串接一个1kQ地恒值电阻，那么，此电阻上流过地电流将和被测温度成正 比，此时电阻两端将会有1mWK地电压信号.其基本电路如图
11、3-3所示.主1博沮斛脊的權匕电賂图3-3 AD590内部核心电路图3-3是利用 UBe特性地集成PN结传感器地感温部分核心电路.其中T1、T2 起恒流作用,可用于使左右两支路地集电极电流11和12相等；T3、T4是感温用地 晶体管,两个管地材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而 其结面积是T4地n倍.T3和T4地发射结电压UBe3和 UBe4经反极性串联后加在电阻 R 上，所以R上端电压为 UBe因此,电流11为：I 1= A LBe/ R= Kiy q) lnn )/ R对于AD590,n= 8,这样，电路地总电流将与热力学温度 T成正比，将此电流引至 负载电阻R上便
12、可得到与T成正比地输出电压.因为利用了恒流特性，所以输出信号 不受电源电压和导线电阻地影响.图3中地电阻R是在硅板上形成地薄膜电阻，该电 阻已用激光修正了其电阻值,因而在基准温度下可得到1卩A/K地I值.4 W附I的円萍电诽图3-4 AD590内部电路图3-4所示是AD590地内部电路,图中地T1T4相当于图3-3中地T1、T2,而 T9,T11相当于图3-3中地T3、T4.R5、R6是薄膜工艺制成地低温度系数电阻,供出 厂前调整之用.T7、T8,T10为对称地 Wils on电路,用来提高阻抗.T5、T12和T10为 启动电路，其中 T5 为恒定偏置二极管T6可用来防止电源反接时损坏电路,同
13、时也可使左右两支路对称.R1,R2为发射 极反馈电阻,可用于进一步提高阻抗.T1T4是为热效应而设计地连接防式.而C1和 R4则可用来防止寄生振荡.该电路地设计使得 T9,T10,T11三者地发射极电流相等, 并同为整个电路总电流I地1/3.T9和T11地发射结面积比为8: 1,T10和T11地发 射结面积相等T9和T11地发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上,因此可以写出： UBe=R 2民 )I/3R6上只有T9地发射极电流,而R5上除了来自T10地发射极电流外,还有来自 T11地发射极电流,所以 R5上地压降是 R5地 2 / 3.根据上式不难看出,要想改变 UBe,可以在调整
14、R5后再调整R6,而增大R5地效 果和减小R6是一样地,其结果都会使 UBe减小,不过,改变R5对 UBe地影响更为显 著，因为它前面地系数较大.实际上就是利用激光修正 R5以进行粗调，修正R6以实现 细调,最终使其在250C之下使总电流I达到1卩A/ K.二. 基本应用电路图3-8是AD590用于测量热力学温度地基本应用电路.因为流过AD590地电流与 热力学温度成正比，当电阻Ri和电位器R地电阻之和为1kQ时，输出电压乂随温度 地变化为1mV/K.但因为AD590地增益有偏差,电阻也有偏差,因此应对电路进行调整 调整地方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器 艮,使V0=273.2
15、+25=298.2mV .但这样调整只保证在0C或25C附近有较高地精度.R1AD581 一匸=I +15V100k100k站27KXLF355AD 590+36K图3-5AD590应用电路三. 摄氏温度测量电路如图3-5所示,电位器艮用于调整零点,R4用于调整运放LF355地增益.调整方法 如下：在0C时调整R,使输出Vo=O,然后在100C时调整R4使Vo=1OOmV如此反复调 整多次,直至0C时,V=0mV,100C时V=100mV为止.最后在室温下进行校验例如,若 室温为25E ,那么V0应为25mV冰水混合物是0C环境,沸水为100C环境.四. 多路检测信号地实现本设计系统为八路地温度信号采集,而MC14433仅为一路输入,故采用CD4051组 成多路分时地模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-6所示r jo1 r-图3-6八路分时地模拟量信号采集电路硬件接口3. 1. 2湿度传感器测量空气湿度地方式很多，其原理是根据某种物质从其周围地空气吸收水分后引 起地物理或化学
