一種多通道環境溫度采集系統的設計

1、引言

溫度是工業生產中常見的和最基本的參數之一，在生產過程中常需對溫度進行檢測和監控。采用微型機進行溫度檢測、數字顯示、信息存儲及實時控制，對于提高生產效率和產品質量、節約能源等都有重要的作用。考慮到許多工業環境中對多點溫度進行監控，一般需要測量幾十個點以上，為此，我們研制了一種采用 AT89C52單片機進行控制的多通道溫度檢測系統。

2、硬件的總體設計

本系統由溫度采集電路、單片機、按鍵、顯示、數據存儲等部分組成，成對溫度信號的采集、處理、存儲，控制系統的工作的功能。原理框圖1所示。

圖1 系統硬件原理框圖

3、 溫度采集電路的設計與分析

3.1 傳感器的選擇

在選擇溫度傳感器時，應考慮的主要因素有溫度測量范圍、精度、響應時間、穩定性、線性度和靈敏度。目前，應用最廣泛的溫度傳感器是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和PN結型溫度傳感器。

熱電偶由兩種不同的金屬構成，它們的一端熔接在一起形成一個敏感結，溫度變化時將有一個相應的熱電勢產生，使用熱電偶測量溫度時容易引入誤差（冷端誤差）。熱電阻傳感器電阻值隨溫度增加而增加，最常見的構成材料是鉑、鎳或銅，其線性度好，但價格較高，阻值小，連入測量電路中須考慮引線電阻影響。PN結型溫度傳感器利用了在一定的電流模式下，PN 結的正向電壓與溫度之間有很好的線性關系這一特征，測溫精度高。

熱敏電阻由鈷、錳、鎳等金屬的氧化物以不同配方高溫燒結而成，包括正溫度系數熱敏電阻（PTC），負溫度系數熱敏電阻（NTC）和在某一特定溫度下電阻值會發生突變的臨界溫度電阻器（CTR），在溫度測量中主要采用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 應用較多。熱敏電阻的阻值隨溫度變化而迅速變化，且阻值較大，如應用于野外測量，幾十歐的引線電阻對測量影響較小，可忽略不計，非常適合測量微弱溫度變化。但是非線性嚴重，使用時必須進行線性化處理。由于本系統測量點多，考慮價格等多種因素，選用NTC型熱敏電阻較為合適。

3.2 測溫電路的組成

選用珠狀熱敏電阻，外面套銅殼，中間灌導熱沙，用膠封口連線使用。溫度電壓轉換電路由不平衡電橋實現，放大電路采用LF347四運放芯片，構成差分放大電路，將電橋輸出電壓轉換為對地電壓。采用八選一的模擬開關CD4051，三個地址選擇引腳，兩片組成8×8矩陣，可連接64路溫度傳感器。CD4051電子開關閉合時漏泄電流很低，導通時導通電阻也比較低，當輸入參考電壓±5V，導通電阻在160歐姆左右，輸入電壓正負都可以工作，效果比較理想。整體電路圖如圖2所示，其中最左側兩個端子用于連接熱敏電阻，電橋中的電位器用于調平電橋，對地電壓輸出后至最右端可接A/D轉換器。

圖2 溫度測量電路

3.3 A/D轉換部分、顯示器件和存儲設備

A/D轉換芯片選用美國德州儀器公司的12位串行A/D轉換器TLC2543，具有11路模擬輸入通道，在工作范圍內10us的轉換時間，三路內置自測試方式，最大線性誤差±1LSB，單雙極性輸出，具備可編程的輸出數據長度和MSB、LSB前導。性能價格比合適，轉換精度較高，因此適用于各種儀器儀表之中。

由于需要顯示漢字，例如“XX號空氣溫度XX.X”，字體采用16×16點陣形式，顯示器件采用192×64點陣字符型液晶顯示模塊，電壓較低，功耗比較小，電路連接簡單，控制語句只有七條，便于單片機編程。

存儲設備選用RAMTRON公司生產的鐵電存儲器FM3164，一種集成了存儲器、實時時鐘、看門狗定時器、低電壓提前報警、手動復位去抖等許多單片機伺服電路，64KB的數據存儲解決了許多問題。鐵電存儲器采用了先進的存儲技術，使擦寫次數超過了1億次，使用壽命長，為存儲實時采集數據提供了方便。溫度信號包括數據2字節，通道號1字節，月、日、時、分數據4字節，每天1小時采集一次，1個月總共30×24小時，1個月共需要存儲量(64×3+4)× 30×24/1024≈130KB，鐵電存儲器空間不夠時，可再擴展一片AT29C040海量存儲器512KB，可轉存兩個月的數據。系統簡圖如圖3所示。

圖3 溫度采集系統簡圖

3.4 測溫元件的溫度特性分析與線性化處理

熱敏電阻的阻值與溫度的關系可用以下公式表示：

可見αT是隨溫度的降低迅速增大，因此適用于本系統中測量相對較低溫度。

熱敏電阻的線性化方法有很多種，分為硬件線性化方法和軟件線性化方法。硬件線性化方法采用串并聯電阻的方法對熱敏電阻進行線性化，軟件線性化方法可采用查表法讀取溫度值。串并聯電阻可在某一溫度區間（如0℃～50℃）獲得較好的線性化效果。