一种多通道环境温度采集系统的设计

1、引言

温度是工业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。考虑到许多工业环境中对多点温度进行监控，一般需要测量几十个点以上，为此，我们研制了一种采用 AT89C52单片机进行控制的多通道温度检测系统。

2、硬件的总体设计

本系统由温度采集电路、单片机、按键、显示、数据存储等部分组成，成对温度信号的采集、处理、存储，控制系统的工作的功能。原理框图1所示。

         图1 系统硬件原理框图

3、 温度采集电路的设计与分析

3.1 传感器的选择

在选择温度传感器时，应考虑的主要因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。目前，应用最广泛的温度传感器是热电偶、热电阻、热敏电阻和PN结型温度传感器。

热电偶由两种不同的金属构成，它们的一端熔接在一起形成一个敏感结，温度变化时将有一个相应的热电势产生，使用热电偶测量温度时容易引入误差（冷端误差）。热电阻传感器电阻值随温度增加而增加，最常见的构成材料是铂、镍或铜，其线性度好，但价格较高，阻值小，连入测量电路中须考虑引线电阻影响。PN结型温度传感器利用了在一定的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间有很好的线性关系这一特征，测温精度高。

热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成，包括正温度系数热敏电阻（PTC），负温度系数热敏电阻（NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR），在温度测量中主要采用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 应用较多。热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，且阻值较大，如应用于野外测量，几十欧的引线电阻对测量影响较小，可忽略不计，非常适合测量微弱温度变化。但是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。由于本系统测量点多，考虑价格等多种因素，选用NTC型热敏电阻较为合适。

3.2 测温电路的组成

选用珠状热敏电阻，外面套铜壳，中间灌导热沙，用胶封口连线使用。温度电压转换电路由不平衡电桥实现，放大电路采用LF347四运放芯片，构成差分放大电路，将电桥输出电压转换为对地电压。采用八选一的模拟开关CD4051，三个地址选择引脚，两片组成8×8矩阵，可连接64路温度传感器。CD4051电子开关闭合时漏泄电流很低，导通时导通电阻也比较低，当输入参考电压±5V，导通电阻在160欧姆左右，输入电压正负都可以工作，效果比较理想。整体电路图如图2所示，其中最左侧两个端子用于连接热敏电阻，电桥中的电位器用于调平电桥，对地电压输出后至最右端可接A/D转换器。

                  图2 温度测量电路

3.3  A/D转换部分、显示器件和存储设备

A/D转换芯片选用美国德州仪器公司的12位串行A/D转换器TLC2543，具有11路模拟输入通道，在工作范围内10us的转换时间，三路内置自测试方式，最大线性误差±1LSB，单双极性输出，具备可编程的输出数据长度和MSB、LSB前导。性能价格比合适，转换精度较高，因此适用于各种仪器仪表之中。

由于需要显示汉字，例如“XX号空气温度XX.X”，字体采用16×16点阵形式，显示器件采用192×64点阵字符型液晶显示模块，电压较低，功耗比较小，电路连接简单，控制语句只有七条，便于单片机编程。

存储设备选用RAMTRON公司生产的铁电存储器FM3164，一种集成了存储器、实时时钟、看门狗定时器、低电压提前报警、手动复位去抖等许多单片机伺服电路，64KB的数据存储解决了许多问题。铁电存储器采用了先进的存储技术，使擦写次数超过了1亿次，使用寿命长，为存储实时采集数据提供了方便。温度信号包括数据2字节，通道号1字节，月、日、时、分数据4字节，每天1小时采集一次，1个月总共30×24小时，1个月共需要存储量(64×3+4)× 30×24/1024≈130KB，铁电存储器空间不够时，可再扩展一片AT29C040海量存储器512KB，可转存两个月的数据。系统简图如图3所示。

                图3 温度采集系统简图

3.4 测温元件的温度特性分析与线性化处理

热敏电阻的阻值与温度的关系可用以下公式表示：

可见αT是随温度的降低迅速增大，因此适用于本系统中测量相对较低温度。

热敏电阻的线性化方法有很多种，分为硬件线性化方法和软件线性化方法。硬件线性化方法采用串并联电阻的方法对热敏电阻进行线性化，软件线性化方法可采用查表法读取温度值。串并联电阻可在某一温度区间（如0℃～50℃）获得较好的线性化效果。

以串联电路为例，由图4可列出串联电路分压的电路方程：
 

并联电路经推导得出的电阻值表达式与（7）式相同。由上式得到的并联电阻值与热敏电阻并联，得到的并联电阻值，从阻值与温度曲线可看出，在常用温度测量区间（0℃～50℃）左右，热敏电阻的阻值的线性化程度有了明显的改善，如图5所示。

只采用硬件的处理并不能较为理想地解决线性化的问题，必须采用软件方法进行线性化补偿校正，并联电阻后使曲线较为平坦，但相邻温度（1℃）之间的电阻差值变小，再连入电桥后相邻温度之间的电压差值变小，从而会影响测量温度的分辨率。因此，直接将热敏电阻连入电桥中，平衡温度为25℃（电阻 10KΩ），将热敏电阻放入恒温浴槽中，改变温度值测定电压值，多次测量选择较为理想的数据，温度—电压数据表格和曲线如表1、图6所示。

由图可以看出，在常用温度范围内（0℃～40℃），温度与电压之间的线性关系较好，相邻温度（1℃）之间电压差值为40mv左右。处理数据可采用多项式拟合的方法，得出温度与电压之间的函数关系式。本系统采用查表的方法，在测量范围内，以1℃为间隔，将所测量的数据列表存储在ROM中。若测量温度在两个电压数据之间，则采用逐次插值的方法，先计算相邻两点之间的斜率，再根据两点之间的直线方程计算温度值，由公式8得出，温度采集的程序流程如图7所示。 

为了进一步减小测量误差，可采用平均值滤波方法，即反复测量某一通道的电压值，得到多个数据取平均值，再由上述方法得到温度值。由于测量精度限制，显示结果到小数点后一位，为软件计算补偿值。

4 、结束语

本多通道温度采集系统实用性强，能够很好地巡回采集测量多路信号，结构较为简单，成本低，外接元件少。在实际应用中工作性能稳定，测量温度准确，精度较高。系统在硬件设计上充分考虑到了可扩展性，经过一定的添加或改造，很容易增加功能，如从单片机主芯片串行口连接RS232转换芯片MAX232与PC机相连，完成温度实时数据的传递和其他控制工作。适用范围广泛，可以单独使用作为监控仪，应用于农业温室大棚监测植物生长的环境变化，工业厂房测量各部分的工作温度等等。也可以作为智能控制系统的一部分，与其它设备协同工作。系统移植性强，只需改变前端测量用的传感器类型，可在此基础上修改为其 他非电量参数的测量系统。

            图7温度采集的程序流程

参考文献：
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