我们应用单片机研制了一种存储式温度测量仪,用2节5号电池,能够使用1~2个月,可以记录50万个测量数据。
1 仪器技术性能
记录时间间隔: 1s、2s、5s、10s、30s、1min、2min、5min、10min、30min
记录温度数据: 50万个温度测量值(包括测量数据的时间)
温度测量范围: -10℃~+70℃;分辨率: 0.1℃通讯方式:RS-232
2 仪器的组成
2.1 硬件结构
2.1.1 存储式温度测量仪的硬件原理框图
存储式温度测量仪的硬件原理框图如图1所示。
2.1.2 温度测量处理电路
图2中,Rt是热敏电阻温度传感器,型号为MF5E(R25℃=10kΩ),精度为0.1%,可以直接进行互换。热敏电阻的灵敏度高,电阻值大,导线长度和接触点电阻对测量影响可以忽略不计。E为高精度稳压电源,R1为热敏电阻的三点式线性校正电阻。经计算,在-10℃~+70℃的温度测量范围内,校正电阻R=7.282kΩ,当电压为5V时
由于测量的对象是温度,是变化比较缓慢的量,因此采用测频法实现A/D转换。热敏电阻的取样电压加到LM331 V/F转换电路,把温度测量的电压值通过LM331转换成频率信号输入单片机,利用单片机的T0口,用频率测量的方法完成数据的采集。输入单片机的频率为4418Hz~969Hz,平均为43Hz/℃。
2.1.3 单片机和存储器
在本例中,单片机采用AT89C52,有8KB程序存储器;数据存储器采用Flash AT29C040A,容量为512KB。单电源5V,低功耗,与CMOS和TTL电平兼容,具有数据保存功能。由于512KB需要19位地址线,利用P1.0~P1.2,作为存储器的区段地址,单片机的A8~A15为存储器的段内扇区地址,A0~A7为扇区内字节地址,完成512KB的地址译码工作。AT29C040A与AT89C52的应用如图3所示。
2.1.4 时钟电路
温度数据记录过程中需要同时记录测量的时间,本例采用DS1302时钟芯片电路。输出年、月、日和时、分、秒, 2.5~5.5V工作电压,低功耗,非常适合电池供电的场合;它以串行接口方式工作,与单片机连线少。它与AT89C52的接口电路如图4所示。
2.1.5 键盘与显示设计
在本例中,键盘主要用于时间和测量时间间隔的设置,由P1.3~P1.6口与软件配合,设计成组合键盘(图5)。
P1.6=0、P1.3=0,进行日期设置; P1.6=0、P1.4=0,进行时间设置;P1.6=0、P1.5=0,进行时间间隔的设置;P1.6=1、P1.3=0、P1.4=0,并持续5s以上,开始测量;
P1.6=1、P1.3=0、P1.5=0,并持续5s以上,停止测量,向PC机传送数据;
2位液晶数字显示,用于日期、时间和时间间隔的设置显示。
2.1.6 电池供电
采用2节5号电池,把3V的电压升高到5V使用。电池在新的时候,串联的最高电压在3.2V左右;用尽时,电压在2.4~2.5V左右。因此,升压电路必须保证输入电压在2~3.5V的情况下能稳定输出5V电压,并且,在输出电压低于4.8V时,能产生低电平,作为源电压低信号。
在本例中,选用NCP1400A微功率固定频率脉宽调制升压直流-直流变换器。该系列产品可以在0.8V电池电压起动工作,只需要四个外围器件,可以用简单的方法实现高效变换。在器件内部有振荡器、脉宽调制控制器、不连续模式运行的相位补偿误差放大器,图6为芯片的典型应用。
图6 NCP1400A芯片典型应用
图中电感值在18~27μH,电容最好选择钽电容,二极管的正向压降要小于0.3V,其中NCP1400ASN50T1芯片的输入电压Vin=0.8~3.5V,输出电压Vout=4.875~5.125V,芯片能提供100mA电流。
2.2 软件
2.2.1 温度数据采集和线性化处理
单片机的定时器/计数器T0工作于16位计数的方式1,记录输入的脉冲数;T1用于测量频率。热敏电阻通过三点式校正仍然存在非线性,为了提高测量的精度,应用最小二乘法,找出频率与温度的函数关系。在单片机中,根据测量的频率,用公式计算出温度值。在-10~70℃的范围内,测量分辨率能够达到0.1℃,可以满足绝大部分的用户要求。
2.2.2 数据的记录方式
接收到开始数据记录的信号后,在存储第一个数据的同时,记录下当时的时间;此后,每测量1000个数据记录一次时间。在数据传送到PC机后,通过计算的方法把每个数据记录的时间求出来,这样可以节约单片机大量的数据存储单元。
2.3.3 与PC机的串行通信
单片机的P3.0、P3.1口为串行通信口,与PC机的RS2232连接,应用Visual Basic高级语言实现单片机与PC的串行通信。
VisualBasic通信控件参考程序如下。
3 仪器的使用
我们研制的存储式温度测量仪已应用于浙江安吉的苗木种植园,进行长时间连续地测量。由于我们采用的温度传感器是做成针状的热敏电阻,能够插入苗木的枝条内部而又不会造成损伤,可以记录各个部位的温度变化情况,它也能方便地插入到土壤的不同深度来观察地表的温度。由于仪器能够与PC机连接,为数据的存储和长时间保持带来了方便,可以在计算机中用曲线或图表的方式显示温度的变化过程,进行数据的统计、分析和打印。对于一些存储量不大的场合,可以用容量小的存储器,选择AT89C2052,不用显示器,仪器可以做得更小,耗电更低。
参考文献:
[1]范逸之.VisualBasic与RS232串行通信控制[M].北京:中国青年出版社, 2000.
[2]常健生,等.检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3]曹柏荣,等.单片机原理及应用技术[M].北京:中国民航出版社, 2003.
作者简介:郁海华(1974—),女,在读硕士,教师,从事电子技术应用方面的研究;曹柏荣(1948—),男,高级工程师。
(收稿日期:2005-10)
