发布时间 : 星期六 文章单片机温度采集系统更新完毕开始阅读92cf952c4b73f242336c5fb2
1 绪论
1.1 课题背景
随着计算机技术的发展,工业计算机控制系统的应用已非常普及。而智能仪表和现场总线等技术的引入则代表着一个网络时代的到来,成为工业控制的主流。在以单片机为基础的数据采集和实时控制系统中,通过计算机中的RS-232接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传送,就可以利用计算机对生产现场进行监测和控制。但是由于计算机上的RS-232所传送的距离不超过30m,所以,在远距离的数据传送和控制时,可以用MAX485的接口转换芯片将RS-232转换成RS-485协议进行远距离传送。
目前国际上已经出现多种现场总线通讯规范及相应的通讯接口软件,但其系统造价对国内大量中小企业来说仍显过高。而RS-485总线技术以其构造简单、维护容易、造价低廉和硬件资源丰富等特点,仍在低成本的中小型计算机控制系统中占据重要一席。故本设计选用基于RS-485的通讯接口规范,实现对远距离工业现场的温度信号的采集控制。
1.2 课题的目的及意义
温度是工业生产过程中重要的被控参数之一,在冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉,对工件的处理温度等均需要对温度严格控制。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业的逐步实现,由微机构成的温度测控系统已在众多领域被采用。该课题就是解决对工业现场温度信号的采集控制和传输问题。
伴随着计算机技术和网络技术的发展,工业参数的数字采集促进了现场总线(Fieldbus)技术的发展,目前现场总线已经从当初的4~20mA电流信号加载数字信号,发展成为全数字通讯,解决了现场信号远距离高速传送问题,而且提高了抗干扰性能,增加了系统配置的灵活性,节省了硬件投资,是未来生产自动化和过程控制的发展方向。较有影响的总线有:CAN.LONWORKS.PROFIBUS.FF等。虽然这些总线无主从方式工作,速度较快、网络支持较完善,但系统造价高,应用受到限制。而RS-485总线主机调度网以其制造容易、造价低、软硬件丰富、配置灵活等特点,得到了广泛的应用。它不仅具有良好的抗噪声干扰性,较远的传输距离,而且它可以实现多点互联,还可以实现全双工通信,因此对远程温度
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采集控制系统的研究具有现实的意义和实际的价值。
1.3 主要研究内容
本设计是针对MCS—51型AT89C51系列单片机在采样、比较和控制方面的应用。本课题研究的主要内容是:
(1)温度检测过程
该环节使用铂电阻Pt100为测温元件,Pt100具有性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高等优点,可以实现较为准确的测温。
(2)数据的采集和转换过程
数据采集系统是计算机对整个系统进行控制和数据处理,采用ADC0804实现由模拟量到数字量的转换。
(3)温度控制过程
采用中断的方式,当A/D转换结束,发出中断请求,单片机响应请求,驱动继电器动作,进行加热或冷却的处理。
(4)显示过程
采用两位的LED数码管实现对现场温度的显示。 (5)串行通信过程
基于RS-485串口通信协议,实现远距离通信。
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2 温度采集控制系统硬件设计
温度采集及串口通讯是一个综合性系统。在本设计中以AT89C51单片机为CPU控制单元的核心,同时还包括了数据采集、数据存储、数据通信、LED显示等多个功能单元。
2.1 温度传感器选择
传感器是测控系统前向通道的关键部件,它也称换能器和变换器,一般是指非电物理量与电量的转换,即传感器是将被测的非电量(如压力、温度等)转换成与之对应的电量或电参量(如电流、电压、电阻等)输出的一种装置。
2.1.1 热电阻
热电阻是利用导体的电阻率随温度变化这一物理现象来测量温度的。几乎所有的物质都具有这一特性,但作为测温用的热电阻应该具有以下特性:
(1)电阻值与温度变化有良好的线性关系;
(2)电阻温度系数大,便于精确测量; (3)电阻率高,热容量小,反应速度快;
(4)在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质; (5)材料质量要纯,容易加工复制,价格便宜。
根据以上特性,常用的材料是铂和铜。
铂易于提纯,物理化学性质稳定,电阻率较大,能耐较高的温度,因此用铂电阻作为实现温标的基准器。
2.1.2 铂电阻Pt100
电阻式温度传感器 (RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,其中以白金(Pt)做成的电阻式温度传感器,最为稳定,耐酸碱、不会变质、相当线性...,被工业界采用。 Pt100温度传感器是一种以白金(Pt)做成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数, 在0~630.750℃温度范围内,Pt100的温度-电阻特性:
Rt = R0(1+at+bt)
式中:a=3.96847 X 10-3 /℃; b=-5.847 X 10-7 /℃;
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2 Rt为在温度T下的电阻值;R0为在0℃时的电阻值。
基于以上的分析,故该设计采用性能稳定、抗氧化性能强和测量精度高的Pt100铂电阻,来实现对工业现场测点较为准确的测温。
2.2 信号调理电路
所谓信号调理就是将传感器(或变速器)所输出的电信号进行放大、隔离、滤波等,以便数据采集模块实现对数据的采集。其中传感器是将被测量(通常为非电量)转换成电信号的信号转换元件,然而由于传感器的电气特性,其产生的电信号一般不可能直接接入至PC,必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠的采集。一般而言,信号调理是基于PC机的通用数据采集系统不可或缺的组成部分。
2.2.1 隔离电路
隔离是指使用光电耦合器或变压器等方法,在测试系统和被测试系统之间传递信号,以避免直接的电或物理连接。因为被测量常有瞬变或冲击现象,甚至足以损坏计算机和数据采集板,将传感器信号同计算机隔离起来,使系统安全得到了保证。另外,通过隔离可以确保ADC卡的读数不致受到“地”电位或共态电压差异的影响。ADC卡每次采集输入信号时,都是以“地”为基准的,如果两“地”之间存在电位差,就可能导致“地”环路的产生,从而造成所采集的信号再现不准确。如果这一电位差太大,则可能危机到数据采集系统的安全,利用隔离技术就可以消除“地”环路并保证准确的采集信号。
2.2.2 放大电路
最常用的信号调理形式是放大,即将输入微弱的电信号放大至与多功能ADC卡的量程相当的程度,以获得尽可能高的分辨率。信号调理电路首先应将输入的微弱电流信号通过一个精密电阻,使之转换为电压信号,在对该电压信号进行调理和数字化。另外,信号调理模块应尽可能靠近信号源、传感器或变送器,这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大,使信噪比得到改善。
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