传感器大报告汇总.docx
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传感器大报告汇总
“传感技术”自学报告
温度测量系统设计
姓名：
高洋
班级：
测控14-5
学号：
1405010508
2016年12月11日
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目录
第1章温度测量文献综述1
1.1温度测量的意义1
1.2温度测量现状2
1.2.1国外温室环境控制2
1.2.2国内温室控制技术2
1.2.3温室环境控制技术的三个发展阶段2
1.2.4温室控制存在的问题3
第2章总体方案设计4
2.1方案一4
2.2方案二5
2.3方案分析对比7
2.4小结7
第3章温度测量系统设计及元器件特性分析8
3.1传感器设计8
3.2A/D转换电路设计9
3.3传感器总体分析11
3.3.1系统硬件电路构成11
3.3.2系统工作原理13
3.3.3系统主要技术指标15
3.3.4DS18B20的介绍15
3.4使用条件和误差补偿17
3.5仿真实验18
3.6小结19
结论20
参考文献21
附录23
心得体会28
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第1章温度测量文献综述
1.1温度测量的意义
温度是一个和人们生活环境密切相关物理量，也是在其他研究、生产、科研、生活中需要测量和控制的物理量，同时也是最基本的环境参数。
人们的生活与坏境温度息息相关，物理、化学、生物等科学都离不开温度。
像太阳能热水器、电力、石油、农业大棚经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对温度进行控制。
例如，许多太阳能热水器中，需要通过温度检测来控制其水泵运作；在农业大棚中，通过温度检测来判断是否合适农作物种植与生长；许多电子设备都有额定温度单位，没有合适的温度会使电子产品造成故障等等。
传统的测量不仅费时费力。
现在由于单片机的加入，使得测温更加精确，并且方式更多。
对温度检测的方法也不同。
传统的检测温度方式不仅单一，而且达不到很多的精度要求，但是现在加入了单片机,可以通过单片机进行数据检测、保存、控制、运算等等。
如先前的太阳能热水器的温度检测，只能单单看到水箱的温度，随着单片机的发展，并且加入了单片机，可以通过N通道来达到更精确的温度，并做出更精确更多的测温。
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
我国人多地少，人均占有耕地面积更少。
因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。
温室大棚技术就是其中一个好的方法。
传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。
如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进行升温处理。
这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。
现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。
大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。
时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。
基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。
1.2温度测量现状
1.2.1国外温室环境控制
国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上完全自动化、无人化的方向发展。
像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。
英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。
1.2.2国内温室控制技术
我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。
我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。
我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。
我国温室现状还远远没有达到工厂化农业的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
1.2.3温室环境控制技术的三个发展阶段
从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：
1、手动控制。
这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。
生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。
通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。
但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要。
2、自动控制。
利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子如温度、光照、湿度、C02浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。
人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。
此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。
计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。
3、智能化控制。
智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。
这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。
1.2.4温室控制存在的问题
首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。
各种专家系统在收集、整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出来，这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力。
其次是采集数据的束缚，温室控制技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。
还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性，农业专家系统对温室环境因子进行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。
在开发温室农业专家控制系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。
同时，将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。
总之，随着计算机技术、农业应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，温室技术体系己经成为各个国家为合理利用农业资源、提高农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的前沿性研究领域。
本章给出的各项内容要求有参考文献支持，要求将参考文献标注在相应位置。
参考文献包括著作、教材、论文、技术报告、说明书、网页等。
第2章总体方案设计
系统要完成的设计功能如下：
◆实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度和湿度：
根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。
◆实现超限数据的及时报警。
◆现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程通信功能。
◆通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。
与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。
◆长时间测量数据记录功能：
可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。
◆监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。
要求达到的技术指标：
测温范围：
-20℃—100℃
测温精度：
正负0.5℃
测温范围：
0—100%RH
测温精度：
正负2.5%RH
2.1方案一
1.传感器的选择：
由于本设计的任务是要求测量的范围为-20℃-100℃，测量的相对误差不大于1%。
综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从－200℃～＋650℃。
2.PT100温度传感器原理：
PT100温度传感器是一种以铂（Pt）做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：
在0～650℃范围内：
Rt=R0（1+At+Bt2）
在-200～0℃范围内：
Rt=R0（1+At+Bt2+C（t-100）t3）
式中A、B、C为常数，A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；
由于它的电阻—温度关系的线性度非常好，因此在测量较小范围内其电阻和温度变化的关系式如下：
R=Ro（1+αT）
其中α=0.00392,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为摄氏温度。
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。
PT100是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。
主要技术指标：
1.测温范围：
-200℃～650℃；
2.测温精度：
0.1℃；
3.稳定性：
0.1℃；
PT100温度传感器测量范围广：
-200℃～+650℃，偏差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计采用PT100作为温度传感器。
2.2方案二
由于本设计是测温电路，也可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
方案设计框图如下：
热敏电阻传感器是对温度敏感的电阻器的总称，是半导体测温元件。
随着外界温度的变化，其阻值会相应发生较大改变。
按温度系数分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）两大类。
NTC热敏电阻以MF为其型号，PTC热敏电阻以MZ为其型号。
热敏电阻符号如下图：
MF58测温型NTC热敏电阻，由Co、Mn、Ni等过渡金属元素的氧化物组成，经高温烧成半陶瓷，利用半导体微米的精密加工工艺采用玻璃管封装，耐温性好，稳定性高，可靠性高。
应用：
1、家用电器，如空调机、微波炉、电风扇、电取暖炉等的温度控制与温度检测。
2、办公自动化设备，如复印机、打印机的温度检测或温度补偿
3、工业、医疗、环保、气象、食品加工设备的温度控制与检验。
4、液面指示和流量测量。
5、手机电池。
6、仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿。
特点：
1、稳定性好，可靠性高。
2、阻值范围宽：
0.1-1000K
3、阻值精度高。
4、由于玻璃封装，可在高温和高温等恶劣环境下使用。
5、体积小、重量轻、结构坚固，便于自动化安装（在印制线路板上）。
6、热感应速度快、灵敏度高。
主要技术参数：
1、额定零功率电阻值范围（R25）:
0.1~1000KΩ
2、R25允许偏差:
±1%、±2%,±3%,±5%,±10%.
3、B值范围（B25/50℃）:
1960~4480K
4、B值允许偏差:
±0.5%,±1%,±2%.
5、耗散系数:
2mW/℃（在静止空气中）
6、热时间常数:
20S（在静止空气中）
7、工作温度范围:
-55℃~+300℃
8、额定功率:
≤50Mw
注意事项：
1、MF系列热敏电阻器是玻璃封装的，请勿剧震、碰击以防玻璃外壳破裂。
2、焊接时间控制在4S内。
3、MF系列热敏电阻器不能直接在水中或液体中使用
2.3方案分析对比
以上两种方案相比较，第一种方案的电路、软件设计更简单，此方案设计的系统在功耗、测量精度、范围等方面也都能很好地达到要求，而且能使用单片机进行设计，可操作性高，与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。
这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。
由于在本系统中，测温范围较大（在室温到600℃之间），且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Pt100铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器，故本设计采用方案一。
2.4小结
本章通过介绍PT00和MF系列热敏电阻，确定了设计方案所选用的传感器类型，为以下的总体设计打下基础。
第3章温度测量系统设计及元器件特性分析
3.1传感器设计
系统输入通道的作用是将温控箱的温度（非电量）通过传感器电路转化为电量（电压或电流）输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。
由于此时的电量（电压）还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。
输入通道由传感器、A/D转换等电路组成。
温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。
因此在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。
Pt100型铂电阻，在-200℃到850℃范围内是精度最高的温度传感器之一。
与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。
这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。
由于在本系统中，测温范围较大（在室温到600℃之间），且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Pt100铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。
铂电阻温度传感器主要有两种类型：
标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。
在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。
但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。
考虑到成本，故在本系统中采用工业级Pt100铂电阻作为温度传感器。
铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。
按照接线方式的不同又可以分为二线制、三线制和四线制几种。
本系统采用的是恒流四线制接法对Pt100铂电阻进行采样。
图3-1
铂电阻温度传感器采样电路如图3—1所示。
该电路将温控箱的温度转化为电压输出。
采用恒流四线制接法的测温电路中需要用到一个稳定的基准电压源。
本系统采用精密基准电压源LM399H产生基准电压，图中参考电压VREF即来自LM399H。
图3-2基准电压源电路如图3—2所示。
LM399H是内置恒温槽高精度基准电压源，输出电压6.9999V。
它是迄今为止同类产品中温度系数最低的器件，内部有恒温电路，保证了器件的长期稳定性。
本系统中基准电压源产生的电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给A/D转换电路使用。
3.2A/D转换电路设计
在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。
但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换（A/D转换），才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。
完成A/D转换的器件即为A/D转换器。
A/D转换器的主要性能参数有：
（1）分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。
A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；
（2）转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。
不同类型的转换器转换速度相差甚远；
（3）转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；
（4）线性度线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。
目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型的A/D转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。
温度控制中A/D转换是非常重要的一个环节。
传统的电路设计方法是在A/D转换前增加一级高精度的测量放大器，这样就增加了成本，电路也较为复杂。
综合考虑，本系统选用AD（ANALOGDEVICES）公司生产的16位AD转换芯片AD7705作为本温控系统的A/D转换器。
AD7705是AD公司生产的16位∑-△型A/D转换器。
它包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、∑-△调制器、可编程数字滤波器等部件组成。
能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。
AD7705采用三线串行接口，具有两个全差分输入通道，能达到0.003%非线性的16位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还可以选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。
工作电压3V或5V，在3V工作电压时，器件的最大功耗仅为1mW。
图3-3
AD7705引脚如图3-3所示。
AD7705引脚功能描述如下：
（1）SCLK串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。
该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据，反之，它也可以是非连续时钟，将信息发送给AD7705；
（2）MCLKIN为转换器提供主时钟信号，能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。
晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT两引脚之间，时钟频率的范围为500kHz—5MHZ；
（3）MCLKOUT，当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间，如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反向时钟；
（4）CS片选信号，低电平有效；
（5）RESET复位输入，低电平有效；
（6）AIN2（+）差分模拟输入通道2的正输入端；
（7）AIN1（+）差分模拟输入通道1的正输入端；
（8）AIN1（-）差分模拟输入通道1的负输入端；
（9）AIN2（-）差分模拟输入通道2的负输入端；
（10）REFIN（+）差分基准输入的正输入端，基准输入是差分的，并规定REFIN（+）必须大于REFIN（-），REFIN（+）可以取VDD和GND之间的任何值；
（11）DRDY逻辑输出，这个输出端上的逻辑低电平表示可以从AD7705的数据寄存器获取新的输出字。
完成对一个完全的输出字的读操作后，该引脚立即回到高电平。
当该引脚处于高电平时，不能进行读操作，当数据更新后，该引脚又返回低电平；
（12）DOUT串行数据输出端，从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。
根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可以容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息；
（13）DIN串行数据输入端，向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。
3.3传感器总体分析
由于系统要对大棚内部的温度进行测量和控制，因此采用单片机对单总线系统进行现场长期监控是非常经济实惠的方案，其硬件连接非常简单，可用单片机并口P1、P2、P3中的任一位端口与单总线连接来实现双向数据传输，而且还可通过RS232/485转换器串行口使单片机与上位计算机（PC机）连接，以便在WINDOWS平台上进行高级的软件管理。
3.3.1系统硬件电路构成
本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框图如图3-3-1所示。
系统硬件电路由温度传感器、单片机、RS—485串口通信和计算机组成.
图3-3-1温度测量系统硬件电路原理图
温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和显示。
由于智能温度传感器DS18B20既能对温度进行测量，又能设定所需要控制的温度，并对温度值能够把二进制转换成十进制，所以本设计系统中选用智能温度传感器DS18B20。
该传感器是利用在板专利技术来测量温度的。
传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DS18B20都具有唯一的64位序列号。
并且DSl8B20只有一个数据输入/输出口，因此，多个DSl8B20可以并联到3或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20进行通信，而它们只需简单的通信协议就能加以识别，这样就节省了大量的引线和逻辑电路。
用户还可自设定非易失性温度报警上下限值，并可用报警搜索命令识别温度超限的DS18B20。
由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。
单片机主要是对温度传感器DS18B20进行编程，读取温度传感器的温度值，并把温度值通过串口通信送入计算机。
由于AT89系列单片机与MCS—51系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用AT89C2051。
串口通信的作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输数据的作用。
虽然RS232是串行通讯中目前最常用的接口，且在PC机系列中，每台微机均配有标准的RS232，但是这种共地传输，由于受距离与环境的影响，极易受到干扰。
因此，RS232方式的通讯，一般应用于速度低于20kb/s，距离20m以内的条件下，不适合于高速、远距离通讯。
而RS485串行通讯是一种多发送器的电路新标准，它采用了差分平衡的电气接口，利用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除了地线信号。
因此，RS485可用于距离1200m，速度为100kb/s的高速通讯。
由于从大棚到计算机的距离较长，因此，在本课题设计中，需要在PC机侧配置RS485转换器，以达到数据传输的目的。
计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等。
3.3.2系统工作原理
采用单总线技术设计的温度监测系统，如图3-3-2所示。
整个系统以AT89C2051单片机为主机，其他设备为从设备。
单片机通过RS485总线与PC机通讯。
PC机作上位机进行实时监控管理，控制器选用Max705组成上电复位和看门狗电路。
该系统只要一条双绞线（一根为信号线，一根为地线）从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象（传感器）挂接在一根总线上就可以了。
本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器DS18B20，用于温室大棚内不同地方的温度测量和控制。
图3-3-
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