2023年课程设计_：无线温度采集系统.doc

中文 摘 要 随着工农业生产对温湿度的要求越来越高，准确测量温度变得至关重要。本文设计主要是针对恶劣环境下的工业现场以及高科技大范围的农业现场，布线困难，浪费资源，占用空间，可操作性差等问题做出的一个解决方案。该方案主要是利用热电偶采集外界的温度，利用无线传输实现在上位机显示采集到的温度，并对数据进行相应的比照和处理。 本文主要利用两路热电偶采集温度的模拟量，并且利用热电偶串行模数转换器实现信号放大、冷端补偿和A/D转换，再由单片机进行处理，并通过无线传输模块将测量的数值传输给PC机，在PC机上实现数据的比照，从而可以对工业现场和农业现场的环境温度进行实时监测，并且利用该设计还可以实现对热电偶测量准确度的现场检测。本设计结构简单，但应用范围广泛，使用方便，而且节约资源，同时可以进行远距离的监控。 关键词：温度数据采集，无线传输，热电偶，单片机，PC机 -47- Abstract Abstract With the more and more request of industry and agriculture production in the temperature, it become very important to survey the temperature accurately. This article is designed for harsh environments and high-tech industries at the scene of large-scale agriculture at the scene, wiring problems, waste of resources, space, and make operational a poor solution. This design is mainly to use the thermocouple to gather temperature, and then use the wireless transmission to reveal the gathered temperature on the position machine, and comparison of data and processing the corresponding. This design mainly uses two thermocouple to gather the analog quantity of the temperature and uses the thermocouple serial ADC to achieve signal amplification, cold junction compensation and the A / D conversion, and then the digital quantity will be able to be distinguished by the microchip and then transmitted through the wireless transmission module to the PC, and to achieve the compare of data, then the temperature of the scene of industrial and agricultural can be monitored in any time, and through this design we can detect the accuracy of thermocouple at the scene of measurements. This system is of simple structure, but in extensive application range, easy being used. Moreover, it saves resources and also, the long range monitor may be carried on at the same time. Key words: temperature data acquisition, wireless transmission, thermocouple, single-chip, PC 目录 目 录 摘 要 I Abstract II 目 录 III 第一章 引 言 1 1.1 课题的背景和意义 1 1.2 无线温度采集原理 2 1.3无线温度采集的开展状况 4 1.4无线温度采集系统的研究内容 6 第二章 总体方案设计 7 2.1任务要求 7 2.2总体方案的论证 7 2.3总体方案的选择 10 第三章 单元电路的设计 12 3.1温度传感器信号调理电路 12 3.1.1 热电偶 12 3.1.2温度数据采集局部的放大电路 18 3.1.3自动检测局部的信号放大器 21 3.2 无线收发模块 26 3.2.1无线收发芯片的选择 26 3.2.2 PTR8000无线数据传输模块 28 3.2.4 PTR8000的工作过程 32 3.3单片机与PC机接口数据传输电路 32 3.4 单片机 34 3.4.1 单片机的特点 34 3.4.2 单片机系统设计 35 3.4.3 单片机与各芯片的连接电路 36 3.4.3 软件设计 38 3.5直流稳压电源 40 结 论 42 参考文献 43 致 谢 44 附录一 发射局部电路图 45 附录二 接收局部电路图 46 第一章 引 言 第一章 引 言 1.1 课题的背景和意义 随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式已经渗透到社会生活生产的每一个角落，温度测量的准确度在影响生产效益的同时也在逐步得到社会的重视。 在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，工作人员可以在这里将控制指令传输给现场执行模块进行各种操作。这样就会产生数据传输问题，由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。 在农业生产上，不管是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业开展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的开展使得温度采集测量精确，简便易行。 在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。 以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。因此，对于如何利用无线通信技术进行数据采集，尤其是如何提高无线数据采集的精度等课题的研究就变得非常的有意义。 1.2 无线温度采集原理 1.无线温度采集的原理 无线温度采集的原理如下：温度传感器将被测点的温度采集后输出的模拟信号逐步送往信号放大电路、低通滤波器以及A/D转换器〔即信号调理电路〕，然后在单片机的控制下将A/D转换器输出的数字信号传送到无线收发芯片中，并通过芯片的调制处理后由芯片内部的天线发送到上位机，在上位机模块中，发送来的数据由单片机控制的无线收发芯片接收并解调，最后通过接口芯片发送到PC机中进行显示和处理。 2.温度传感器简介 在采集被测点温度时会用到温度传感器。温度传感器就是能够感知和测量环境中某点温度的一种敏感器件，它将环境中的温度或与温度有关的参量的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得被测点在环境中的温度信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、监控、报警系统。 温度测量方法有接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是，温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。目前常用的接触式测温仪表有： 1) 膨胀式温度计。一种是利用液体和气体的热膨胀及物质的蒸汽压变化来测量温度，如玻璃液体温度计和压力式温度计；另一种是利用两种金属的热膨胀差来测量温度，如双金属温度计。 2) 热电阻温度计。它利用固体材料的电阻随温度而变化的原理测量温度，如铂电阻、铜电阻和热敏电阻。 3) 热电偶温度计。它利用热电效应测量温度。 4) 其他原理的温度计。例如，基于半导体器件温度效应的集成温度传感器 、基于晶体的固有频率随温度而变化的石英晶体传感器等。 接触式测温的测量方法比拟直观、可靠，测量仪表也比拟简单。但是，由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就有可能破环被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能到达充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触过程中，有的介质有强烈的腐蚀性，特别在高温时对测温元件的影响更大，从而不能保证测温元件的可靠性和工作寿命。 非接触测温时，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。目前常用的非接触式测温仪表有： 1) 辐射式温度计。其测量原理是基于普朗克定理，如光电高温计、辐射传感器、比色温度计。 2) 光纤式温度计。它是利用光纤的温度特性来实现温度的测量，或者仅仅是光纤作为传光的介质。如光纤温度传感器、光纤辐射温度计。 目前在高温测量中，应用最广泛的是非接触式测温仪表，主要应用在冶金、铸造、热处理，以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。任何物体处于绝对零度以上时，因其内部带电粒子的运动，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，只是在低温段这种能量很弱。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。在测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此，可以测量运动物体的温度且不破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必到达被测物体的实际温度，从理论上讲，没有上限，可以测量高温。但是，这样的非接触式测温仪表的测量精度一般不高。 为了采集特定点的温度，并在上位机上进行显示和控制，要求所使用的温度传感器必需有一定的精度，显然使用非接触式测温仪表就不是非常适宜。而在接触式测温仪表中，热电阻式传感器的测温范围主要在中、低温区域〔-200℃～650℃〕，且线性度较差，只在某一较窄范围内有较好的线性度，由于是半导体材料，其复现性和互换性较差；热电偶传感器是一种将温度转换为电势变化的传感器，在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一，其主要优点是测温范围广，可以在1K至2800℃的范围内使用，精度高，性能稳定，结构简单，动态性能好，把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输。这样通过比拟可以明显看出，在工业测温上，热电偶是比拟实用的温度传感器，因此在本设计中使用的测温仪表也将是热电偶。 表1-1为国际电工委员会〔IEC〕推荐的8种标准化热电偶的特性[1]。 表1-1标准热电偶的特性 热电偶种类 优 点 缺 点 B 适于测量1000℃