AD590在某隧道温度检测系统的应用

兀 伟， 高 英， 王航宇

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032；2.西北机电工程研究所 陕西 咸阳 712099；3.西安航空职业技术学院 电子工程系，陕西 西安 710089）

为了测量某高温隧道岩层温度分布梯度，采用温度传感器测温。温度传感器类型较多，常见的非接触式和接触式，非接触式不便于探孔操作而不选用；接触式常见的有热电阻、热电偶、集成模拟式和集成数字式等，热电阻和热电偶一般用电桥采集[1-3]，需用4根电缆线，集成数字式（如18B20）传输距离有限，集成模拟式有输出电流和电压的区别，鉴于本系统需传输距离较长（最长的电缆大于30 m）在综合考虑性价比的基础上，选用输出电流式的传感器。

1 系统组成

为了测量都隧道岩层温度分布梯度，垂直于隧道内壁开转多个放射状测温探孔，每个探孔内埋设4个温度传感器器，分别距内壁1 m、2 m、4 m和6 m，如图1所示。

温度显示采用手持式便携显示仪表，手动逐个测量每一传感器温度并记录。该隧道共转有探孔25个，传感器终端测点100个。该采集显示系统由传感器、放大电路调零电路、AD转换电路、CPU、按键电路、LCD显示电路和通讯电路组成，系统原理框图如图2所示。温度传感器选用AD590J[4]。

图1 传感器分布图Fig.1 Temperature sensor distribution

图2 系统原理框图Fig.2 Functional block diagram

2 硬件实现

2.1 传感器介绍

AD590温度传感器是一种集成化的温度传感器，供应电压范围+4～30 V，可量测温度范围－55～150℃，它会将温度转换为电流，电流是以绝对温度零度为基准，即0℃时对应的电流为273.15 μA，温度每增加 1℃，它会增加1 μA输出电流，减少亦然。

2.2 传感器调理电路设计

AD590温度传感器调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路Fig.3 Signal conditioning circuit

电源采用9 V电池供电。图中采用10 kΩ电阻和传感器AD590串联，作为电流采样电阻，也就是将电流信号转换为电压信号Vin，其大小为：

运算放大器A1在这里起到电压跟随器的作用，其输出V1为：

当0℃时V1=2.73 V，为了在0℃时输出为0 V，电路采用减法器设计，即减去2.73 V的偏压，电源电压有可能产生波动，因此用稳压管获得6 V电压然后经过电阻分压获得2.73 V的稳定电压 （见图中标识），RW1是调零电阻，调节RW1可改变该电压值；减法器放大倍数为2.5倍，电阻阻值个体会存在差异而采用RW2补偿，输出电压V0为：

每℃对应0.025 V电压，当测量范围为0～100℃时，对应输出电压范围为0～2.5 V。

2.3 采集电路

CPU采用silicom公司的单片机C8051F021，这是一款混合信号ISP FLASH、高速8051内核的微控制器。片内集成多路12位和8位ADC，为数据采集提供方便；4个8位双向IO口可直接控制按键输入、液晶显示输出、存储芯片，P0口主要是多功能口，有两个串口，一个I2C口，可用于EEPROM；片内JTAG调试电路可进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行[5]。单片机见图4所示。

图4 单片机原理图Fig.4 Schematic diagram of microcontroller

图4中U1是单片机，P0口连接串口和I2C总线，P1口连接液晶显示的数据总线，P2.0_4口连接按键，P3口连接液晶的控制端，AIN0接来自传感器的电压信号；JTAG是调试接口；R1和C1是复位电路；Y1、C5和C6是复位电路，晶振选用22.118 4 MHz；R2、Z1、C3和 C4实现 AD 转换的参考电压，Z1是稳压管，采用LM336，稳压值为 2.5 V，即AD的参考电压为2.5 V；V0是温度传感器的电压输入，D1和D2是保护电路；U3是 EEPROM，选用 AT24C256，容量 32 kB，R4和 R5是 I2C总线的上拉电阻，C7和R3提供恒定的写有效信号；对未用的AD通道接地，未用的IO口悬空，在编程时置高电平。

2.4 显示和按键电路

显示采用点阵液晶显示器，选用LCD12864[6]，20针接口，分别有电源、地、对不度调节端、背光调节端、控制端以及数据端如图5所示。LCD0_7是数据总线，LCD_CS1和LCD_CS2是右左屏选择端，高电平有效；RS为指令数据控制端，当RS=0时LCD0_7是指令，当RS=1时LCD0_7是显示数据；显示测点编号和温度值，图5是液晶接口电路，电位器R303用于调节对比度；D7、Q3和R304实现背光开关控制，由单片直接控制。

图5 液晶接口电路Fig.5 LCD interface circuit

手持仪表可进行 5种操作，分别是“读数”、“采集”、“上翻”、“下翻”和“确定”，按键分布类似手机的导航键，其电路如图6所示。

图中S1-S5对应上述5个功能键。“采集”是指采集温度，若该温度需要存储可按下“确定”键，然后测点编号可自动增一，可进行下一个测点的温度采集，若需要更新已有的测点编号的温度值，则可采用“上翻”和“下翻”确定测点编号，此时显示的温度值是当前采集温度值，需要更新按“确定”键；“读数”是指读入以前采集的最后一个温度值，液晶屏显示测点编号和温度值，若需显示其他已采集的值，可通过“上翻”和“下翻”来查询。

图6 按键电路原理图Fig.6 Schematic diagram of key

2.5 通讯电路

为了方便查询，手持仪表可与计算机串口直接相连接，手持仪表CPU串口为TTL电平，计算机串口为RS232C电平，因此需要进行电平转换[7]，电平转换电路如图7所示。图中U5是max232芯片，这是一款单电源的芯片，外加5个电容就可以工作了，图中TXD和RXD接 CPU，RXD_232和TXD_232直接接计算机。

图7 串口电平转换电路Fig.7 Uart voltage converter circuit

3 软件实现

手持仪表软件主要实现按键扫描、采集、查询和通讯等功能。软件流程图如图8所示。

开机后先进行初始化，然后判断串口受否有数据，若有再判断功能代码是请求数据还是清除数据，如果是读数据的请求命令，则发送数据直到发送完毕；如果是清除数据请求，则按照测点编码范围进行擦除存储器，直到擦除完毕。如果无通讯请求，则扫描按键，判断有无按键按下，若无则显示新一条编码和采集的数据；若有按键按下，则判断是哪个按键并执行相应的动作。

4 结 论

对样机在沸水中和冰水混合物中进行测试，系统最大误差小于±1℃，达到了设计要求。该系统功耗低，精度较高，用电缆少（两芯），性价比高，是较长距离测温的理想方案。

图8 软件流程图Fig.8 The main software flow chart

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