60高精度温度采集系统的设计;电气工程及其自动化;欧

基于MC9SO8A60高精度温度采集系统的设计电气工程及其自动化欧阳强强089064161指导教师：赵卫东副教授摘要温度控制对工业产品的质量起着决定性的作用，而高精度的温度检测是温度控制的前提，目前工业领域多采用DS18B20数字温度传感器和热电偶来进行温度检测，但由于DS18B20和热电偶自身存在的精度及稳定性的缺陷，无法满足工业生产中高精度温度检测的需要。本文在分析多种温度检测方案的基础上，设计并实现了基于三线制恒流源驱动的Pt1000高精度测温探头，包括测温系统中的恒流源模块、温度信号处理、A／D转换模块等硬件电路的设计及PCB制板，并完善了电路结构及参数。在多次硬件调试的基础上，完成了基于飞思卡尔AW60单片机的测温探头程序设计，构建了基于RS485总线的多路温度采集系统，最后采用电阻箱对测温探头进行了多次标定。实验结果表明，该温度测量系统性能稳定可靠，测量精度有望达到0.02℃。关键词：温度检测AW60单片机485总线热电阻AbstractTheaccuracyoftemperaturecontrolhasadecisiveinfluenceonthequalityofthehigh-precisionindustrialproducts,andthepremiseofthetemperaturecontrolisthehigh-precisiontemperaturemeasurement.Nowinthemarket,manycompaniesuseddigitaltemperaturesensorDS18B20andthermocoupletodetecttemperature,buttheirowndefectsintheaccuracyandstabilitycan'tmeettheprecisionindustryproductiontotheaccuracyofthetemperaturecontrol.Therefore,basedontheanalysisofmanytemperaturemeasurementscheme,thispaperdesignsandrealizesthehigh-precisiontemperaturemeasuringinstrumentbasedPt1000，whichisdrivenbythree-wireconstant-currentsource。itanalyzestheoperationprinciplesanddesignbasisofthefunctionalcircuitsinthistemperaturemeasurementsystem,whichconsistsofconstant-currentsource,temperaturesignalprocessingandA/Dconversion，andthecircuitstructuresandparametersisrequired.ThispapercompleteprogramdesignoftemperaturemeasuringinstrumentbasedonfreescaleAW60microcontroller,buildamulti-channeltemperaturegatheringsystembasedonRS485bus.Atlastmakecalibrationforthetemperaturemeasuringinstrumentwithresistancebox.Experimentalresultsshowthatthistemperaturemeasurementsystemhasstableperformancesandhighreliabilities.anditsprecisionexpectedtoreach0.02℃.Keywords:Temperaturedetection,AW60Microcontroller,485bus,RTD第一章绪论1.1研究背景1.1.1温度传感器的定义温度传感器的定义是：“能感受规定的被测量(温度)并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置[1]，通常由敏感元件和转换元件组成”。温度传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。1.1.2温度测量的重要性温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量，也是工业控制中主要的被控参数之一[2]。对温度的测量与控制在现代工业中也是运用的越来越广泛。作为在各种控制场合经常使用的传感器，它的性能好坏会直接影响到系统性能。因此，要选择适当的传感器，不仅要掌握各种类型传感器的结构、原理及性能指标，还必须懂得传感器的信号应该如何控制、处理和现实，只有通过对传感器应用实例的分析了解，才能掌握传感器的开发和应用。现在越来越多的传感器被用于各个领域，且为了提高自身的功效、时效及生产力，各领域的专家们也在自主研发适用于该领域的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。1.1.3常用温度检测方式温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类[3]:接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。非接触式温度传感器，它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正[4]。1.1.4国内外研究现状分析温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果,其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001℃,理论上可达0.00001℃,而且在-40℃~230℃范围内具有温度与频率的线性特性;日本利用所谓石英温度频率转换器-80℃~200℃的温度范围,最大分辨率达0.0001℃;美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计,电桥分辨0.00002℃;我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃,误差在0.05℃以内,中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片,其静态测温精度为0.5%,快速响应时间小于0.013s。传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点,在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展,其应用范围更加拓展[5]。1)薄膜温度传感器在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。2)辐射测温技术随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪,红外测温技术得到了更多的应用。具体表现在:(1)测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展;(2)准确度和稳定性更高;(3)工作波段多样化,可根据被测对象的特性选择;(4)从点测量发展到二维面测量;(5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点;3)光纤测温技术黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件,从而实现温度测量。如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计,具有测温高、响应快、寿命长的特点,可以部分取代贵金属热电偶。还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器,也是基于以上原理,由普通石英光纤实现测温,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。1.2基于Pt1000的高精度温度采集系统1.2.1研究意义在工业和医学等诸多领域，高精度的温度测量都有着很广泛的应用。例如在炼铁生产中,操作人员经常要检测和观察高炉冷却水包的进、出水温差。该温差可反映高炉的完好和运行情况以首钢集团迁安钢铁厂高炉为例,炉喉冷却水的进、出水温差应该在0.3~0.7℃,如果进、出水温差超出这个范围,工作人员就要采取相应措施;如超过0.9℃就意味着出现事故,人员可能就要撤离。因此水温差测量是炼铁过程中的一项重要工作,水温差测量的精度要求也很高[6]。在煤矿和火电厂广泛应用的煤质分析仪中，需要对一定质量的煤燃烧后所导致的一定质量的水的温度变化进行精确的测量，并根据水温的变化幅度对煤的质量进行评估。在医学上用于生命科学研究和基因诊断的PCR热循环仪中，也同样需要对水或油的温度变化进行精确的测量。高精度的温度测量能够提高生产的安全性和产品质量。本文所设计的高精度温度采集系统在测试中虽然取得了较好的效果，但仍然存在着许多不完善的地方，有待进一步研究。1.2.2待解决的问题精密化学、生物医药、精细化工、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高，而温度控制的核心正是温度测量。采用铂电阻测量温度是一种有效的高精度温度测量方法，但具有以下难点：引线电阻、自热效应、外部噪声、的干扰元器件漂移和铂电阻传感器精度[7]。其中，减小引线电阻的影响是高精度测量的关键点。对于自热效应，根据元件发热公式P=I2R，必须使流过元件的电流足够小才能使其发热量小，传感器才能检测出正确的温度。但是过小的电流又会使信噪比下降，精度更是难以保证。此外，一些元器件和仪器很难满足元器件漂移和铂电阻传感器精度的要求。1.3本文研究内容本设计以“飞思卡尔”MC9S08AW60为温度采集系统的控制器[8]，首先介绍了该温度采集系统的基本原理、主要模块、硬件电路部分设计、温度信号的采集和处理，并在硬件电路完成的基础上，设计了部分程序算法。第二章AW60单片机最小系统设计及开发工具2.1MC9S08AW60MC9S08AW60，MC9S08AW48，MC9S08AW32是低成本、高性能8位微处理器单元（MCUs）HCS08家族中的成员。家族中所有的MCUs使用增强型HCS08核，能够实现多种功率管理模式，包括20纳安（nA）电源关断模式。2.1.1HCS08微控制器简介HCS08是低成本、高性能8位微处理器HCS08微控制器特点如下：（1）最高达40MHz的CPU工作频率和20Hz的内部总线工作频率表；时钟源选项包括晶振、谐振器、外部时钟或内部产生的时钟。（2）相比HC08CP