数据采集模块说明.doc

数据采集模块说明数据采集模块主要是实现各路模拟信号的采集，AD转换，数值运算和传送数据的显示部 分由嵌入式部分完成AD选用的是美信公司生产的MAX197,八路模拟通道，多量程输入， 本系统使用的是0〜5伏输入，因此各路模拟信号都要转化为0〜5伏电压信号详见各路 说明）AD的八个通道设置分别为：CH0：热电阻一线端CH1：热电阻二线端CH2：热电偶CH3： PN 结CH4：电压型湿度CH5：电压型温度CH6：电流型湿度CH7：电流型温度与嵌入式的通信协议为：（有待完善）系统上电后，①查询检测等待嵌入式端命令，命令为一个0〜7之间正整数n（通道序号），若 n值正确，则将n值返回给嵌入式端②然后等待嵌入式端的确认信号，暂定为字符'T'（这 里可以加延时程序，当延时时间内未收到嵌入式端的确认信号,则退出这部分程序参加文 件“中断实现的延时函数”若确认信号不正确则发送错误信息（字符'W'）③确认信号 准确接收到之后，进行AD采集，根据不同的n值转入相应的处理程序处理完毕后，将结 果送给嵌入式端，结果为六位，其中数据部分为前五位，第一位为符号位（0为正， 1为负）， 后四位数据位（精确到小数点后两位），以ASCII码形式由高位到低位发送，小数点需要嵌 入式显示部分自行添加。

第六位为字符‘$'做为结束符若起初嵌入式端发送的n值不是0〜7之间的正整数，系统则发送错误信息（字符F'）告知 嵌入式端双方采用232串口进行通信，波特率位9600bps （可变）帧格式为：校验位数据位 停止 位 NULL 8 1注：双方均以ASCII码形式进行数据通信各通道的处理：1•热电阻部分（PT100）：硬件电路中，热电阻采用的是三线制接法（以消除线上电阻），采 用LM234构成的恒流源电路（电流约为0.134/120安培）将电阻转化为电压信号，然后将该 信号放大10倍（由OP07构成的正比例放大器，理论发大倍数10.1倍Vo=Vi*（1+Rf/R1）） ＃送入 AD三线制的另一端也放大10倍（理论10.1倍）#后送入AD热电阻采用的是三线制接法（以消除线上电阻），因此必将有一路传送该信号（CH1）,所以 在热电阻部分的软件处理需要两路信号（CH0,CH1）进行数值运算如图，Vl = （Rx+2r）*i ,V2=r*i，所以软件的数值运算为：首先计算V=V1-2V2 （V1,V2由 CHO和CH1路采集而来），（注意此时的电压值都为数字的）然后将电压信号还原为电阻， R=V*5000/4095/1000*120/0.134/10 # （V*5000/4095/1000 是将数字形式转化为模拟形式， 5000mV对应FFF （十进制为4096））,最后根据热电阻（PT100）的分度表【4】采用查表 和插值运算【3】得出相应温度值。

由于表中存储的电阻值已经扩大了100倍，（为了避免浮 点数），所以查表前计算得到的电阻值还要扩大100倍2•热电偶部分（K型）：硬件电路按照0〜40mV的输入设计的，大约可测温度范围0〜967 度放大125倍后送入AD （由OP07构成的两级放大电路，第一级放大5倍（实际Rf使用 的是5.1K #）第二级放大25倍（实际Rf使用的是24K+1K） #）由于，热电偶存在冷 端补偿的问题，电路设计了利用PN结测温法进行补偿（详见PN结部分）热电偶测温原理：【1】不同导体构成回路时，因两结点温度不同，就会在结点两端有电势输 出（热电效应）所产生的热电动势主要由两部分组成：接触电动势（不同导体接触，由于 电子密度不同产生）和温差电动势（同一导体两端温度不同产生）当材料一定时，那么热 电动势只与两个结点的温度由关，即：Eab（T,T0）=E（T）-E（T0）通常希望T0=0或为常数时，则Eab（T,T0）=E（T）可见，保持冷端为 0度或为一常数时使用热电偶的前提条件要求冷端温度必须恒定，时因 为热电偶所产生的热电势不仅与被测温度有关，而且还和冷端温度有关，只有在冷端温度固 定后，热电势才和被测温度有单一的函数关系，保持冷端为0度，是因为经常使用的热电偶 的分度表和显示仪表是以热电偶的冷端温度为0度作为先决条件的，为了直接应用分度表， 就必须使冷端温度为 0 度。

但在实际测量中，冷端的温度往往是波动的，从而造成测量误差 为了尽量减小这种误差，就需要设法使冷端温度保持0度，或先保持恒定，然后进行补正（就 使消除因冷端温度不使 0 度而带来的误差）冷端温度的处理方法有很多，这里采用冷端温 度的补正的方法 1）热电动势补正法当冷端温度变化后，（t0变化到t1），热电偶算产生的热电势分别为：E(t,t0)=E(t)-E(t0)E(t,t1)=E(t)-E(t1)两式相减得，E(t,t0)-E(t,t1)=E(t1)-E(t0)=E(t1,t0) 即E(t,t0)=E(t,t1)+E(t1,t0)其中，E(t,tl为热电偶实际测得的热电动势，而E(tl,tO)为热电偶冷端温度有tO变化到t1相 应的热电动势，这两个值都可以由热电偶分度表【4】查出所对应的温度值2).温度补正法 热电动势补正法计算比较麻烦，简单的方法式将实际中测量热电偶冷端温度为补正值，但误 差比法1要大(但对一般的工业生产来说还是允许的)此法对热电特性线性度较差的热电 偶不适用实际中，工业上还采用温度补正系数K修正(补正系数由相应表格查得) 综合考虑，该系统采取的是第一种补正方法3. PN结部分：该部分的设计思路是基于PN结的温度特性，用PN结来测量热电偶冷端温度 (室温)，用以进行热电偶测温的补正。

PN 结的温度特性【2】： PN 结的正向压降具有负的温度系数，并且在一定范围内随温度近 似呈线性变化，利用该性质可将PN结作为温度传感器使用注意为避免自身发热影响测 量精度，通过PN结的电流不宜过大，应取0.1mA左右)实验测量PN结正向压降与温度关 系数据V-T，在计算出各温度的正向压降与0度时的正向压降的差值的关系△V-T，作图， 计算出PN结正向压降与温度的具体函数关系在硬件电路中，PN结部分采用的是三极管(NPN 9013)的be结，电压信号取出后放大5 倍(实际电路是4.9倍，OP07构成的正比例放大电路Rf=3.9K #),送入ADPN结部分的软件处理：由于实际电路中的PN结的V-T关系还未标定，所以程序中是人为 设定的一组关系(并认为是线性的)，即：V=-2.26T+628(单位毫伏)(实际PN结函数关系 标定后，该式还要改正)具体的数值运算为：AD采集来的PN结电压信号(CH3，注意式 数字形式的)，还原回最初的采集值V=Temp*5000/4095/5 #,然后根据V-T关系的得出T = (628—V)/2.26*100 (乘以100的目的是为了精度要求，规定的是保留两位小数)，取出温 度的整数部分i=T/100) (i为char型)，查热电偶分度【4】表得出此温度下对应的热电势值(插值法【3】计算)，即得到公式E(t,t0)=E(t,t1)+E(t1,t0)中的E(t1,t0)部分，已备热电偶部分 运算使用。

热电偶部分的软件处理：由于冷端补偿的存在，热电偶测温也要采集两路信号，一路热电偶 端实际测量信号(CH2,用以获得E(t,t1))，另一路是冷端补偿信号(CH3,用以获得E(t1,t0)) 其中玖t,t1)=V*5000/4095/125*1000 # (乘以1000的目的是因为程序中存储的热电偶分度 表【4】都扩大了 1000倍(为避免浮点 数))，E(t1,t0)已经由PN结部分给出，则 E(t,t0)=E(t,t1)+E(t1,t0),根据E(t,t0)值反查分度表【4】(加插值运算【3】)得到相应T值， 传送给嵌入式端4. 电压型传感器部分：由于该部分使用的是已经完成线性化处理的传感器，因此无论是硬件 还是软件设计都比较简单该部分选用的是霍尼韦尔公司生产的CHT3W2TLD型温湿度变 送器，0〜5伏输出，可测量温度范围为-10〜60度，湿度为0〜100%, 12伏电源，四线输 出zwstf- ukus■liHUEM CESn IQ 3J IM" WM ?! Sfl IW KLAIht硬件电路直接将变送器的输出接入AD,软件部分根据线性关系直接计算得到T值送入嵌入 式端具体数值运算为：湿度部分（CH4）： RH=V*5000/4095*100/5000*10 （最后乘以10 的目的是为了精度要求，规定湿度部分保留一位小数）;温度部分：T=V*70/5000*100-10*100 （乘以100的目的是为了精度要求，规定温度部分保留二位小数）。

5•电流型传感器部分：该部分选用的是霍尼韦尔公司生产的CHT3W1TLD型温湿度变送器, 4〜20mA输出，可测量温度范围为-10〜60度，湿度为0〜100%, 24伏电源，三线输出 硬件电路通过串接250欧姆电阻（100+150）将4〜20mA电流信号转变位1〜5V电压信号 送入 ADw=£=el/WLg因为变送器输出已经完成了线性化处理，所以软件部分根据线性关系直接计算得到T值送 入嵌入式端即可具体数值运算为：湿度部分（CH6） RH=（V*5000/4095-1000）*100/4000*10 温度部分（CH7）： T=（V*5000/4095-1000）*70/4000*100-10*100］注：带有＃号的部分为存在误差的地方精度是如何保证得？？？ 第二版硬件电路？？PN 结部分还有待商榷？？查一下三级管的结构，和电路中实际电流的大小『1』 温度测量与控制，姜忠良，陈秀云，北京：清华大学出版社，2005.8『2』 半导体 PN 结测闻实验的设计，彭庶修，吴汉水，占俐琳（论文）【3】 插值计算法：插值法也是线性化处理的一种常用方法差值原理为： 设某传感器的输出特性曲线（例如电阻-温度特性曲线），如图所示尸市乂』JTj 才冲T 丄h JF图分段先行插值原理由图可以看出，当已知某一输入值xi以后，要想求出值yi并非易事，因为其函数关系式y=f（t） 并不是简单的线性方程。

为使问题简化，可以把该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻 两分段点用直线连起来（如图中虚线所示），用此直线代替相应的各段曲线，即可求出输入 值x所对应的输出值y例如，设x在（x.,x.+1）之间，则其对应的逼近值为y = y + 丁乂 门一 y (x - x )i Xi + 1一 Xi i将上式进行化简，可得和其中y = y + k (x - x)i i iy = yi o+ kx(2)(3)yi o = yi- kixi为第i段直线的斜率式（2）是点斜式直线方程，而式（3）为截矩式直线方程上两式中，只要n取得 足够大，即可获得良好的精度在对曲线进行分段，选取各插值基点时，为了使基点的选取 更合理，不同的曲线采用不同的方法分段主要有两种方法：等距分段法和非等距分段法 等距分段法即沿 x 轴等距离地选取插值基点这种方法的主要优点是使式（ 1）中的x -x =常数，因而使计算变得简单但是函数的曲率和斜率变化比较大时，会产生一定i +1 i的误差；要想减少误差，必须把基点分得很细，这样势必占用较多的内存，并使计算机所占 用的机时加长非等距分段法的特点是函数基点的分段不是等距的，通常将常用刻度范围插值距离划分小一 点，而使非常用刻度区域的插值距离大一点，但非等值插值点的选取比较麻烦。

本系统采用的是等距分段法，表格中存储的是以一度为间隔的整度数分度表以热电阻为例， 为了计算某一特定的温度值，首先需要确认最接。