大型直流锅炉热注参数无线传输仪的设计.doc

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1、摘要1Abstract2第一章 绪论31.1 课题背景31.2 国内外研究的现状41.3 使用单片机实现锅炉参数测量与传输的优点5第二章 相关知识背景介绍72.1液位传感器介绍72.2压电式传感器的设计92.2.1压电效应和陶瓷压电式传感器选取102.2.2传感器的检测电路112.2.3恒压源供电电路分析112.2.4 恒流源供电电路分析122.2.5数字式压力传感器检测电路122.2.6差分放大器122.2.7同相放大器162.2.8传感器误差分析162.3温度采样模块172.3.1温度传感器的选择172.3.2关于DS18B20的相关概述172.3.2 DSl8B20特点182.3.3内部

2、结构192.3.4 DS18B20的通讯协议212.3.5提高DS18B20测温精度的途径232.3.6 DS18B20使用中的注意事项23第三章 系统硬件设计253.1 核心芯片MEGA16单片机253.2 锅炉液位检测硬件实现283.3 锅炉压力检测硬件实现293.4锅炉温度检测硬件实现333.5 无线传输模块的硬件实现333.6 键盘及显示接口363.7 自动报警电路37第四章 系统软件的设计384.1锅炉水位检测软件流程图38图4.1锅炉水位检测软件设计流程图384.2 锅炉温度检测流程图394.3 锅炉压力检测流程图404.4 无线传输模块流程图40第五章 结论41第六章 致谢42参

3、考文献43附录A 硬件原理图44附录B 软件程序45摘要 本文主要设计了一种大型直流锅炉热注参数无线传输仪，它以MEGA16单片机作为控制器，通过MEGA16单片机，压力传感器、液位传感器、温度传感器和模数转换器等硬件系统和软件设计方法实现对大型直流锅炉热注参数的测量和无线传输,并对液位和压力和温度值进行显示。本系统是基于单片机的水暖锅炉控制，在设计中主要有水位检测、温度检测、压力检测、按键控制、显示部分、故障报警和无线传输等几部分组成来实现。主要用光电对管构成的水位传感器检测水位，热电偶温度传感器来检测水温，用气体压力传感器累检测锅炉内气压，用六个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示

4、器来完成显示部分，用无线传输模块来实现参数的无线传输。本设计有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。关键词：直流锅炉; MEGA16单片机; 水位检测; 温度检测; 压力检测；无线传输AbstractThis paper designs a large boiler heat injection parameters wireless device, it is to ATMEL-MEGA16 as a controller, microcontroller through MEGA16, pressure sensors, liquid level s

5、ensors, temperature sensors and ADCs such as hardware and software design methods Implementation of large boiler heat injection parameter measurement and wireless transmission, and liquid level and pressure and temperature display.The system is based on the single chip plumbing boiler control, mainl

6、y in the design water level detection, temperature detection, pressure testing, key control, to show some, fault alarm and wireless transmission of several components to achieve. Mainly on the tube with a photoelectric sensor detects the water level in the water level form, thermocouple temperature

7、sensors to detect temperature, gas pressure sensor tired boiler pressure test, with six control buttons to achieve by healthy controls, LED display with 3 to 7 complete the display part of a wireless transmission module to achieve the parameters of the wireless transmission. The design of low cost,

8、easy to debug programs, part of the failure will not affect other parts of the work, easy maintenance, and so on.Key words： boiler; MEGA16 SCM; water level detection; temperature detection; pressure monitoring; wireless transmission第一章 绪论1.1 课题背景目前我国的燃烧锅炉的数量众多，我国现有中、小型锅炉30多万台,每年耗媒量占我国原煤产量的四分之一,目前大多数

9、工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。国家在第10到第11个五年计划的科技创新指南中,对光电一体化、资源与环境、新能源与高效节能的指导性课题中明确指出:需要自动化程度高、节能潜力大、提高安全系数、减轻劳动强度、价格低的新型测控装置。要求节约率达到百分之5以上,装置投资的回收期在1年以内,采暖锅炉为3年以内。如小型链条式工业锅炉用的是新型测控装置。因此这个课题有现实的意义且市场的前景良好。锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:1)直观而集中的

10、显示锅炉各运行参数,能显示液位、压力、温度状态。2)在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位、压力、温度的上限、下限。3)提高锅炉的热效率,采用计算机控制后热效率可以比以前提高百分之5到百分之10,据统计,120吨的锅炉,全年平均负荷为百分之70左右,以平均热效率提高百分之5计算,全年节约800吨。4)锅炉系统中包含鼓风机、引风机和给水泵等大功率电动机,由于锅炉本身特性和选型的因素,这些风机大部分不会满负荷输出的,原有的方式采用阀门和挡板控制流量,浪费非常严重。通过对鼓风机、引风机和给水泵进行微机控制可以平均节电达到百分之30到百分之40左

11、右。5)作为锅炉控制系统装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减少劳动人员的劳动强度。采用计算机控制的锅炉系统有十分周到的安全机制,可以置多点的声光报警和自动连锁停炉,杜绝人为疏忽造成的重大事故。综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般,工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制锅炉是很好的选择。1.2 国内外研究的

12、现状目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中,取得了很大的成绩,总结了很多经验,但是各行业仍处于发展期,经调查,更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。在上海,新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚,在生产过程中需要新型的测控装置与系统,因此在不断的努力研究与开发。上海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究,对理论、算法和成果的论文较少;深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就,尽管与其他国家比较尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特点就是实际,与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑,主要考虑选取什么材料

13、,测控什么物理量,优点是什么,与机器设备的通讯接口等等。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,奠定了基础,进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。1.3 使用单片机实现锅炉参数测量与传输的优点使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制,测量温度时采取光电

14、耦合器,实现光电隔离,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；采用压力传感器对压力进行测控，采取压电陶瓷传感器,可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现蒸汽与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，具有较高的实用价值和优越性。本系统与PLC控制系统相比大大降低了使用成本,提高了控制运行速度。根据仿真模拟运行的结果表明,该系统能很好的

15、克服“假水位”现象,将锅炉汽包液位控制在给定的范围内,对压力不足和压力过大进行安全报警,稳定性能好,容易操作和控制,保证了生产的正常进行。1.4 研究方案及预期结果本设计是采用MEGA16单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的锅炉液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,又用光电式隔离器和压力传感器对锅炉的温度和压力进行检测，CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示示液位高度,检测液位、温度和压力等数据,实施报警安全提示,并将参数数据进行无线传输。1.4.1 系统硬件总体方案系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在锅炉内四个不

16、同的位置，由上至下测量锅炉液位值,。并把这四个液位状态通过模数转换器AD7135传到单片机中,在通过七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点。本设计运用了多种传感器,在使用液位传感器测液位的同时,我还选用了热电偶温度传感器和压力传感器来对锅炉的温度和压力进行测量,因为我们所提到的锅炉常用于供暖,所以温度的检测很重要,至于选用压力传感器主要是出于安全考虑的,压力过大有可能对锅炉造成损害甚至造成爆炸,压力过低会导致锅炉控制系统无法正常运行。最终，通过无线网络将参数传输到远端。1.4.2 软件总体方案本系统

17、所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在充分的情况下进行，可以提高燃烧效率。由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高1都会产生巨大的经济效益。其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修正运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。

18、1.4.3 设计的研究进程 本设计第二章对系统进行硬件分析,主要介绍了本设计所使用的核心芯片MEGA16,重要对其端口进行介绍,介绍其功能与用途,还介绍了液位传感器、数模转换AD7135、执行设备、LED显示和报警装置,介绍了他们的原理、结构和电路连接。第三章我着重介绍了本设计所使用的传感器,因为传感器的性能在整个系统中起着非常重要的作用,尤其对检测精确度起着重要的作用,在其中我重点介绍了液位传感器,光电式传感器和压电式传感器。第四章我介绍了整个系统的软件设计。第二章 相关知识背景介绍2.1液位传感器介绍在锅炉液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规

19、律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。传感器的种类很多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的,本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对液位进行控制，又用光电式传感器和压电式传感器来对温度和压力进行检测,在把检测的电信号输入到单片机进行分析,这个设计的重点是液位的控制,所以下面我要对液位传感器进行设计。我采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图 图2.1液位传感器由图2.1可知，液位传感器的主要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光

20、电元件,光电元件主要采用的是光电效应,光电效应分外光电效应、内光电效应和光生伏特效应, 光电效应的原理是PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子、空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子,空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光电效应的原理就

21、是光电二极管的原理,光敏二极管就把光信号转换成了电信号,它是最简单的光学元件。 图2.2 a 光敏三极管的结构示意图 图2.2 b基本电路而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度,也是把光信号转化成电信号。光敏三级管是由高亮二极管进行发光的, 高亮二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它的原理和光敏二极管相似,也是产生光电效应。只不过原理正好相反,当有电流导体内部产生光电流,照射在PN结上,在内部产生光电流,它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。水位检测是通过四对

22、高亮二极管和光敏三极管分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的PA0、PA1、PA2、PA3口，实时对锅炉里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限

23、报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。2.2压电式传感器的设计因为要对压力过大或压力不够实行报警,所以要对压力进行测量,我采用的是压电式传感器来对压力进行检测,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。所谓压电效应是某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。它可以测量最终能变换为力的各种

24、物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。 2.2.1压电效应和陶瓷压电式传感器选取压电式传感器的基本原理是物质的压电效应。压电效应是某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。选取合适的压电材料是压电式传感器的关键，一般应考虑以下主要特性进行选择：1)具有较大的压电常数。

25、2)压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3)具有高的电阻率和较大的介电常数，以减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。4)具有较高的压电性能破坏时的温度转变点。转变电高可以得到较宽的工作温度范围。5)压电材料的压电特性随时间蜕变，有较好的时间稳定性。我采用的是压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极

26、化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化。对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷，见图2-14，其电荷量q与作用力F成正比，即q= dzzF (2.1)式中，dzz为纵向压电系数。 （2.2）式中，AX为极化面面积；AY为受力面面积。压电陶瓷在受到如图2.3所示的作用力F时，在垂直于Z轴的上下平面上分别出正、负电荷，即 图2.3 压电陶瓷的压电原理2.2.2传感器的检测电路压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的器件。这种压力传感器精度高，工作可靠，容易实现数字化，比应变式压力传感器体积小而输出信号大。压阻

27、式压力传感器的核心部分是一个周边固支的单晶硅膜片，膜片上布置了四个等值的敏感电阻，组成惠斯顿电桥。有压力作用时，膜片产生相应的弹性形变，应变电阻由于单晶硅压阻效应使其阻值发生相应的改变，电桥失去平衡，输出电压与膜片上感受的压力成比例，从而实现了对压力的测量。惠斯顿电桥如图所示： 图2.4惠斯顿电桥在压力传感器的设计中，为了提高满量程输出、减小零点温度漂移及提高线性度，通常把压敏电阻连接成惠斯顿电桥的形式。电桥一般采用恒压源或恒流源两种方式供电。2.2.3恒压源供电电路分析根据图2.4可知，电桥的输出为：（2.3）整理后得 （2.4） 由(2.4)式可知，采用恒压源供电时，电桥的输出与电源电压的

28、大小、精度和温度都有关。2.2.4 恒流源供电电路分析根据图2-2可知 (2.6)故有： (2.7)电桥的输出为： (2.8)整理后得： （2.9） 此式说明电桥的输出与恒流源供给的电流大小与精度有关，与温度无关，不受温度的影响，但一个传感器最好配备一个恒流源。本文采用恒压源供电，所以需要对温度补偿，但可以减小零点温度漂移。2.2.5数字式压力传感器检测电路随着数字信号的发展，近年来,对现场的压力计量校准过程多采用压电效应的传感器，以芯片和单片机构成的数字压力计。随着工业自动化程度的提高，现场仪表选型不断更新。仪表准确度也在不断提高。这促使压力计量校准过程有了新的变化和进展。也自然提出了用高准

29、确度手段实现压力计量校准仪表的要求。而目前的压力计量校准仪表难于满足这一要求。为此，我们采用ATMEL公司传感器转换芯片。基于个人计算机构建了具有数据采集能力的高准确度压力测量系统，它能够在可视化编程软件环境下生成高准确度数据采集的驱动程序代码和测试模块， 用户还可在较短时间内生成压力测量原型。通过工具模块和程序结构完成编程测试，测量数据可直接打印或交付给计算或可经由网卡传输到网络中。必须选用高精度的检测电路，在所有的检测电路中多选用差分放大器与同向放大器电路。2.2.6差分放大器差分放大器的基本电路，它是由两个对称的共发放大器通过发射极电阻想耦合而组成的。一般采用正、负两个极性的电源供电图2

30、.5 差分放大器的基本电路且。它有两个输入端，分别作用着输入信号电压和;有两个输出端.输出信号或从其中任意个集电极取出,称为单端输出,或从两个集电极之间取出,称为双短输出或浮动输出。先讨论静态工作。令，如图所示。由图可见，两管基极静态电位，因此，为了保证加到两管发射结上的静态电压等于管子的导通电压，发射极静态电位就必须为 (2.10)因而通过电流 (2.11) 由于电路两边对称，因而通过两管的发射极静态电流、相等，且它们之和恒等于，由于求得两管集电极静态电流 (2.12)可见，当一定时，两管集电极静态电流由来确定，其值随增大而减小。在图2.11的基本电路中，差分对管用一对组合管取代，或用一对场

31、效应管取代，和用各种有源电阻取代，就可以演变出各种形式的差分放大器。（一）差模信号由于电路两边对称，因而在差模输入信号电压作用下，两管集电极产生等值反相的增量电流： (2.13)当它们共同流入时，其中，两管的静态电流相加，而两管的增量电流相消，结果是流经的电流不变仍等于原静态电流，而不存在由输入差模信号产生的电流，因而对差模信号而言，可视为短路。这样，对于图2.11所示的差分放大器，它的差模交流通路由两个相同的共发放大器组成，如图2.14所示。 图2.6 差模交流通路因此，只要求出一个共发放大器的性能，就可得到差分放大器的差模性能。通常将这种简化分析方法称为半电路分析法。显然，他是以差分放大器

32、电路两边对称为前提条件的。而电路两边对称正式差分放大器电路结构上的特点，这个特点唯有集成电路中才能得到较好的体现。差模输入电阻差模输入电阻是指差分放大器从量输入端看进去所呈现的视在电阻。显然，其值即为亮共发放大器输入电阻之和： (2.15)差模输出电阻单端输出时，任一端的差模输出电阻即为共发放大器的输出电阻： (2.16)双端输出时，差模输出电阻即为两共发放大器输出电阻之和： (2.17)差模增益差模电压增益是指差放差模输出电压对差模输入电压的比值。单端输出时差分放大器两输出端的差模电压分别为和-。因而，当自管输出时，差模电压增益 (2.18)其值即为共发放大器增益的一半。而当自管输出时，差模

33、电压增益 (2.19)可见，差分放大器亮输出端对而言，管为反相输出端，管为同相输出端。双端输出时，差模电压增益 (2.20)其值即为共发放大器的增益。可见，单端输出时差模电压增益为双端输出的一半。差模信号由于电路两边对称，因而在共模信号电压作用下，两管集电极产生相同的增量电流： (2.21)当它们共同流入时，不仅其中的静态电流相加，而且增量电流也相加。结果是上产生的共模信号电压为单管的两倍。从等效观点来看，在相等电压下，每管发射极上相当于接入2的电阻。这样，对于图2.14所示的差分放大器，它的差模交流通路由两个相同的共发放大器组成，如图2.15。 图2.7 共模交流通路可见，差分放大器的共模性

34、能等效为发射极接电阻2的共发放大器的性能。 本次设计中应用的是ICL7650BCPD型差分放大器，它的优点是实时，准确等。信号放大倍数为是67倍。2.2.7同相放大器 利用理想预防的虚短路特性，写出电路中结点1的KCL方程 (2.22)解得由于输出电压的幅度比输入电压的幅度大，而且极性相同，故称为同相放大器。为保证该运放工作在线性区域，应使输入电压的幅度满足以下条件 (2.23)若输入电压超过此值，电路不再具有放大电压信号的作用，波形也将产生失真。2.2.8传感器误差分析插入误差是当系统中插入一个传感器时，由于改变了测量参数而产生的误差。一般是在进行电子测量时会出现这样的问题，但是在其他方式的

35、测量中也会出现类似问题。例如，一个伏特计在回路中测量电压，它必定会有一个固有阻抗，比回路阻抗要大很多，或者出现回路负荷，这时，读数就会有很大的误差。这种类型的误差产生的原因是使用了一个对系统（如，压力系统）而言过于大的变送器；或者是系统的动态特性过于迟缓，或者是系统中自加热加载了过多的热能。应用误差是操作人员产生的，这也意味着产生的原因很多。例如，温度测量时产生的误差，包括探针放置错误或探针与测量地点之间不正确的绝缘。另外一些应用误差包括空气或其他气体的净化过程中产生的错误。应用误差也涉及变送器的错误放置，因而正或负的压力将对正确的读数造成影响。特性误差定义为，设备本身固有的，它是设备理想的、

36、公认的转移功能特性和真实特性之间的差。这种误差包括DC 漂移值（如，错误的压力水头）、斜面的不正确或斜面的非线形。动态误差。许多传感器的特性和校准都是适用静态条件下的，这意味着使用的输入参数是静态或类似于静态的。许多传感器具有较强阻尼，因此它们不会对输入参数的改变进行快速响应。如，热敏电阻需要数秒才能响应温度的阶跃改变。所以，热敏电阻不会立即跳跃至新的阻抗，或产生突变。相反，它是慢慢地改变为新的值。从而，如果具有延迟特性的传感器对温度的快速改变进行响应，输出的波形将失真，因为其间包含了动态误差。产生动态误差的因素有响应时间、振幅失真和相位失真。环境误差来源于传感器使用的环境。因素包括温度，或是

37、摆动、震动、海拔、化学物质挥发或其他因素。这些经常影响传感器的特性，所以在实际应用中，这些因素总是被分类集中在一起的。针对误差产生的原因，如何有效的减少误差就要从以上几方面入手。2.3温度采样模块2.3.1温度传感器的选择温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器，智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速

38、发展。在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。为了克服上面提到的三个问题，采用了新型数字温度传感器DS1820，在对其测温原理进行详细分析的基础上，既提出了提高DS1820测量精度的方法，又取得了良好的测温效果。2.3.2关于DS18B20的相关概述随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，温度自动控制系统在很多领域得到广泛应用。传统的温度控制使用热敏电阻作为温度敏感元件。没有温度检测元件和控制元件，虽然成本低，但是因其处理电路简单，可靠性相对较差，控制准确度和精度都比较

39、低。因此正逐步的被新型温度传感器组成的温度控制系统所代替。本系统采用了美国DALLAS公司最新推出的DS18B20单总线数字式温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。如图2.8。并由DS18B20和AT89C51组成温度控制系统。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够把温度信号直接转换成串行数字信号供微处理机。图2.8 DS18B20管脚图DS18B20读出或写入数据仅需要一根I/O口线即总线，总线本身可以向所以挂接的DS18B20芯片提供电源而不需要额外电源，并且它体积小，电压适用范围宽（3V5V），用户还可以通过编程实现91

40、2位的温度分辨率7。因此，它的实用性和可靠性比同类产品更高。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。信号传输采用两芯（或三芯）电缆构成多单总线结构。一条单总线电缆上还可以挂接若干个数字温度传感器，每一个传感器有唯一的地址编码，微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某一个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构，采集端口的连接线减少了50倍，既节省了造价，又给现场施工带来了极大的方便。2.3.2 DSl8B20特点DSl8B20 功能特点是：1、 采用单总线技术，与单片机通信只要一根 I/O 线，在一根线上挂接多个 D

41、S18B20；独特的单线接口方式：DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 2、 每只 DS18B20 具有一个独有的、不可修改的 64 位序列号，根据序列号访问对应的器件。 3、 低压供电，电源范围从 3 5V ，可以本地供电，也可以直接从数据线上窃取电源（寄生式供电）。 4、 测温范围为-55+125，在-1085范围内误差为0.55、 可编程数据为912 位，转换12位温度时间为750ms （最大）。 6、 用户可自设定报警上下限温度。7、 报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值。 8、 DS18B20的分辨率可由用户通过 EE

42、PROM 设置为912位。9、 DS18B20 可将检测到温度值直接转化成数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。10、具有3引脚T0-92小体积封装形式。管脚排列为：DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。在其内部使用了在板(ON-BOARD) 专利技术,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。2.3.3内部结构DS18B20是实现单总线测控网络的关键器件，它的内部结构如图3-2所示。主要包括：寄生电源、温度传感器、64位激光ROM 和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限

43、值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。图2.9 DS18B20内部结构DS18B20内部存储器由ROM、RAM和E2ROM组成，如表3-1所示。其中，ROM 由64位二进制数字组成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1字节6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位的CRC校验码。由于64位ROM 码具有唯一性，在使用时作为该器件的地址，通过读ROM命令可以将它读出来。表 2-1 DS18B20内部存储器结构字节ROMRAM0产品代号(28H)温度低8位148位温度高8位E2ROM2器件序列号TH TH3TL TL 4配

44、置寄存器配置寄存器5-6保留7CRC保留8CRCRAM是由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写E2ROM组成。其中字节0、1存储当前温度，字节2、3存储上、下限报警温度TH和TL，字节4是配置寄存器，字节8是RAM前64位的CRC校验码。RAM 中EEROM用于存储TH、TL和配置寄存器的值。数据先写人RAM，经校验后再传给E2ROM。通过DS18B20功能命令对RAM进行操作。CRC的函数表达式为： （2.24）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输

45、出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H，如表3-2所列。表 3-2 温度测量值与数字量输出对照温度数字量输出(二进制)数字量输出(十六进制)+1250000 0111 1101 000007D0H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1111 0110 1111FF6FH-55111