自动控制元件及线路

一、传感器的选型

传感器作为测量或监测系统的首要环节，是获取准确、可靠信息的重要手段。在智能大棚中，传感器可以测量温度、湿度、CO2，光照等信息，并将测得的数据送到控制部分，经控制部分分析处理后转化为控制信号后，再驱动电机等进行工作。因此，传感器部分是智能大棚整体结构中的重要环节。下面分别详细地分析讨论智能大棚中各种传感器的选择。

1.温度传感器的选择

温度是影响茄子产量和品质的主要环境因子之一,在不同的生长时期对温度的要求也不尽相同,茄子幼苗生长发育所要求的适宜温度较高，一般为2230C ︒。如果温度高于33C ︒或者低于15C ︒，对茄子的幼苗生长发育都是不利的。因此，选择高精度、高性能的温度传感器是我们的一项极为重要任务。

温度传感器是指能够感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，种类繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC 温度传感器。IC 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。为了进行可靠的温度测量，首先就要选择正确的温度仪表，其中最常用的就是以上四种主要类型。下面将详尽阐释几种常见的温度传感器特点及应用，并从中选择合适的传感器用作大棚温度的测量工具。

1.1 热敏电阻

热敏电阻是用半导体材料制成的热敏元件，可分为负温度系数热敏电阻（NTC ）和正温度系数热敏电阻（PTC ）。负温度系数热敏电阻的应用较为广泛，其电阻温度特性曲线可用公式/B t Rt Ae =表示，式中Rt 是温度为t C ︒时的电阻值，A,B 为常数。

热敏电阻的温度系数大,灵敏度高;体积小,可以测量点温度;固有电阻大,因此无需考虑延长导线时的误差补偿;热惯性小,适合动态测量;造价低;寿命长。但是, 热敏电阻器的精度和长期稳定性都不是很理想,而且非线性严重、互换性差。

为了克服热敏电阻器的非线性, 往往需要进行线性修正。有研究表明, 经过补偿和线性修正后, 采用热敏电阻器在大棚的实际温度测量范围内, 准确度可以控制在0.5C ±︒。有的集成电路则可以直接将热敏电阻值转换为温度的数字输出, 如MAX 6682。

1.2 热电偶

两种不同成分的导体两端相连接合成回路, 当接合点的温度不同时, 在回路中就会产生电动势, 这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。其中, 直接用作测量介质温度的一端叫作工作端(也称为测量端), 另一端叫作冷端(也称为补偿端)。冷端与显示仪表连接, 显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶测温电势可用如下关系式表示: 00(T,0)(,)(,0)AB AB AB E E T T E T =+热

电偶输出热电势0(,)AB E T T 反映的是相对于冷端温度的热端温度,而我们测量温度的目的是要知道以0C ︒为基准的热端温度T 。这样,就必须知道0(,0)AB E T 或冷端温度0T ,这种通过获取0(,0)AB E T 或0T 进而得到热端温度T 的过程即为热电偶的

冷端温度补偿。

由此可知热电偶冷端温度补偿的原因及其重要性。电桥补偿法是最常用的冷端补偿法之一, 但是热电偶是非线性的,而补偿电桥是线性的, 因而难以实现完全补偿, 常出现欠补偿或过补偿现象。另外,补偿电桥与热电偶是一一对应的,通用性差。

热电偶测温的优点是测温范围广、热响应快、耐振动和冲击;缺点是灵敏度低,需修正冷端温度,并且温度要保持恒定。此外,热电偶经长期使用后,热电极会出现被腐蚀、氧化或晶格不均匀等现象。这将导致其热电特性发生变化并影响其准确性。

1.3 电阻温度检测器

电阻温度检测器（或电阻测温器，通常简称RTD ）一种稳定而又精确的测温元件，但也最昂贵。在RTD 中，器件电阻与温度成正比。尽管有些RTD 使用镍或铜，但RTD 最常用的电阻材料还是铂。RTD 拥有很宽的温度测量范围。根据其构造，RTD 可测量270850C ︒的温度范围。RTD 需要有外部激励（通常为一个电流源）才能是适当地工作。但电流也会在电阻元件中产生热，从而引起测量误差。

用RTD 测量温度的方法有多种，一种是让电流通过RTD 并测量其上电压的2线方法。其优点是仅需要使用两根导线，因而容易连接与实现。缺点是引线电阻会参与温度测量，从而引入一些误差。

2线方法的一种改进是3线方法。其中虽然也采用让电流通过电阻并测量其电压的方法，但使用第三根线可对引线电阻进行补偿。这需要有一个第三线补偿测量单元，或需要测出第三根线上的温度值，并将其从总的温度测量值上减去。

第三种方法是4线法。与其他两种方法一样，4线法中也同样采用让电流通过电阻并测量其电压的方法，但是从引线的一端引入电流，而在另一端测量电压。电压是在电阻元件(RTD)上，而不是和源电流在同一点上测量，这意味着将引线电阻完全排除在温度测量路径以外。换句话说，引线电阻不是测量的一部分，因此不会产生误差。

RTD 具有一些明显优于其他测温器件的优点。例如，它是所有测温器件中极为精确的一种，且其线性也比热电偶要好。不过RTD 也有一些缺点。例如，它比热敏电阻和热电偶都贵，且需要使用一个电流源。其DR 也较小，这意味着用于测量温度变化的电阻也较小。例如，当温度变化1C ︒时，RTD 可能只变化0.1欧姆。但如果采用2线法，则较低的绝对电阻也会引起测量误差。在使用RTD 时，有几种常见的现象常常未被人们考虑到，其中最严重的一种现象就是自热。如果RTD 由于测量电流流过而产生自热，则可能会引起误差。

1.4 IC 温度传感—智能型数字式温度传感器DS18B20

DS18B20 是DALLAS 公司推出的智能型数字式温度传感器。DS18B20采用一线接口,该接口既可通信,又可通过数据线供电,只需占用微处理器的一个I/O 位。

并且,DS18B20 将测得的温度信号转换为数字量输出,可以直接与微处理器相连,不需进行信号放大和AD 转换, 大大简化了电路的设计。

DB18B20具有体积更小、试用电压更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建经济的测温系统。

DS18B20的内部结构如下图：

应用范围：

（1）该产品用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线等测温和控制领域

（2）轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。

（3）汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。

（4）供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。

由此可见由于DS18B20的优势很明显，测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少，因此得到了广泛的应用，在不同的领域发挥着重要的作用。

下图为其测温原理：

测温原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，位计数器提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，是很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器的2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温系数振荡器产生的时