光电检测技术大作业 用于矿井领域智能传感器的设计
用于矿井领域智能温度传感器的设计
摘 要：
矿用温度传感器是为检测煤矿井下环境温度而研制的，它可以连续将井下温度信号转换成标准频率信号传送给上位机，并具有实时显示温度值、超限声光报警、频率信号输出等功能。适宜于井下需设置温度传感器的场所固定使用。
在分析当前国内外温度传感器概况的基础上，结合矿用温度传感器通用技术条件的设计要求，提出总体设计方案，并对系统的理论基础、实现方法、硬件和软件设计等做了详细的讨论。系统选择 DS18B20 作为测温传感器，以单片微机AT89C52 为中央处理单元，由温度采集电路、数字显示电路、声光报警电路、信号输出电路等单元组成。软件设计采用模块化编程方法，软件程序的编写使用汇编语言及Keil C 的集成开发环境，主要子程序有：主监控程序、数据测温子程序、数据处理子程序、信号输出子程序、遥控子程序等。同时，在软硬件设计时均采取了有效的抗干扰措施。最后，对设计参数进行了安全性计算。经过试验及测试证明：该系统具有可靠性高、功能强等特点，有着广阔的开发应用前景。
关键词：
智能温度传感器 主控程序 DS18B20 数据处理结构
1
光电检测技术大作业 用于矿井领域智能传感器的设计
1智能温度传感器概况
1.1 温度传感器的发展历史
温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器(即数字温度传感器)。 (1) 分立式温度传感器
传统的热电阻、热电偶、热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温度传感器，传感器本身只是一个完整的、独立的感温元件。
(2) 模拟集成温度传感器
集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此也称硅传感器。在上世纪80 年代问世，结构上将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出，属于最简单的一种集成温度传感器。
(3) 智能温度传感器
智能温度传感器(也称数字温度传感器)是在20 世纪90 年代中期问世的。智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D 转换器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
1.2 温度传感器发展的新趋势
进入21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、网络化等高技术的方向迅速发展，主要体现在下面几点：
(1) 提高测温精度和分辨率
在20 世纪90 年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8 位A/D 转换器，其测温精度较低，分辨率只能达到1℃。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，如由美国Dallas 半导体公司新研制的DS18B20 单线总线传感器，有9~12 位A/D 转换器设置，分辨率一般可达0.5~0.0625℃。
2
光电检测技术大作业 用于矿井领域智能传感器的设计
(2) 增加测试功能
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，Dallas 半导体公司的DS1629 型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC)，使其功能更加完善。
(3) 总线技术的标准化与规范化 (4) 可靠性及安全性设计
传统的A/D 转换器多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。
(5) 网络温度传感器
网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。
1.3 温度传感器的智能化发展
传感器是获取信息的工具，是信息技术(包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术)的三大支柱之一，它位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要。
智能化的传感器具有如下一些特点： (1) 高精度和高性能/价格比
系统采用了更高性能微处理器来处理数据，如：采用了高性能的Σ－△式A/D转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨率将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，从而提高测量精度，提高性能/价格比。
(2) 高可靠性与高稳定性
实时自动进行系统的故障自检，并做出异常情况的应急处理，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错，大大提高可靠性。
(3) 高信噪比与高分辨率
通过软件对传感元件采集到的信息进行有效处理，去除输入信号中夹杂的噪声，将有用信号提取出来，还可以消除多参数状态下交叉对灵敏度的影响，保证在多参数影响情况下对目标参数测量的分辨力，获得高信噪比和高分辨率。
(4) 较强的适应能力
依靠其自身具备的智能功能及系统组态能力，可灵活适应多种不同的应用场合与使用要求。
3
光电检测技术大作业 用于矿井领域智能传感器的设计
2 系统总体方案设计
2.1 系统设计的整体原则
在设计一个智能化测量系统时，首先要进行系统的总体方案设计，在设计中一般应考虑以下几点
(1) 遵循从整体到局部的设计原则。在硬件和软件设计过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题分为若干较简单的、容易处理的问题，分别加以解决。
(2) 可靠性要求。所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性指标除了可用完成功能的概率表示外，还可用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来衡量。
(3)操作和维护要求。在智能化测量系统的硬件和软件设计时，不仅要考虑满足功能要求，还应考虑产品的应用环境，留有一定的设计余量，以满足可靠性要求。对软件来说，应尽可能预防可能发生的故障，采用模块化设计方案，以利于程序的编制和调试，减少故障率，提高软件的可靠性。
2.2 总体方案的选定
对于本课题所要研制的传感器系统而言，其基本出发点就是利用现有工艺条件，采用微型计算机处理技术，提高传感器精度等级和工作稳定性，拓展其功能，并赋予其智能化特征，使传感器不仅能够实时准确地测量环境温度，同时尽可能减少不必要的人工操作，提高工作效率。因此，整个传感器系统总体设计方案的确定，要围绕优化系统设计这个原则，尽量减少硬件电路的复杂程度，发挥计算机处理功能强大的优势，提高系统工作的可靠性。
4
光电检测技术大作业 用于矿井领域智能传感器的设计
矿用温度传感器系统框图
2.3 单片机的选型
随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算机的一个独特的分支，它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。它打破了典型微型计算机技逻辑功能划分芯片结构的传统概念，以其体积小、功能强、性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等，单片机技术的开发和应用水平已逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。目前，单片机的生产公司都在努力单片机的性能，如不断地提高时钟频率，可提高CPU执行速度；精简指令、多级流水线操作方式可提高指令的执行速度、扩大寻址能力；不断地扩大数据存储器容量，EEPROM和闪存容量可达64Kbytes。在结构上细致化、智能化、密切化，增加片内功能，尽量减少外部接口芯片，提供与主机的接口，降低单片机的功耗，提高宽电源的适应能力，增加高噪声容限，并具有更好的电磁兼容性。面向应用对象的多功能多品种的增强型单片机将大大增加。
2.4 开发平台的选择
开发一个单片机应用系统，系统程序的编写效率在很大程度上决定了目标系统的研制成效。早期在研制单片机应用系统时，大多以汇编语言作为软件工具，汇编程序能够直接操作机器硬件，指令的执行速度快。当然，汇编语言有它的缺点，如不是一种结构
5