熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

一、熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用 

　　下面介紹一個典型的單片機控制的測溫系統(tǒng)，它由三大部分組成：(1)測量放大 電路；(2)A/D轉(zhuǎn)換電路；(3)顯示電路。它廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、化工廠的測溫及溫度控制系統(tǒng)中。 

　　1、硬件設(shè)計 

　　(1) 熱電偶溫度傳感器 

　　本系統(tǒng)使用鎳鉻—鎳硅熱電偶，被測溫度范圍為0～655℃，冷端 補償采用補償電橋法，采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。不平衡電橋由電阻R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、 Rcu(銅絲繞制)四橋臂和橋路穩(wěn)壓源組成，串聯(lián)在熱電偶回路中。Rcu與熱電偶冷端同處于±0℃,而R1=R2=R3= 1Ω，橋路電源電壓為4V，由穩(wěn)壓電源供電，Rs為限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同，電橋通常取在20℃時平衡，這時電橋的四個橋臂電阻 R1=R2=R3=Rcu，a、b端無輸出。當(dāng)冷端溫度偏離20℃時，例如升高時，Rcu增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而減小。Uab與熱電勢減小量相等，Uab與熱電勢迭加后輸出電勢則保持不變，從而達到了冷端

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　　(2) 測量放大電路 

　　實際電路中，從熱電偶輸出的信號最多不過幾十毫伏(<30mV)，且其 中包含工頻、靜電和磁偶合等共模干擾，對這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量 放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、儀表放大器和橋路放大器，它的輸入阻抗高，易于與各種信號源匹配，而它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，并且溫漂較 小。由于時間溫漂小，因而測量放大器的穩(wěn)定性好。由三運放組成測量放大器，差動輸入端R1和R2分別接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對稱電路 結(jié)構(gòu)，而且被測信號直接加到輸入端，從而保證了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)為：AV= V0/（V2-V1），AV=RF/R(1+(Rf1+Rf2)/RW)。在此電路中，只要運放A1和A2性能對稱(主要指輸入阻抗和電壓增益)，其漂移 將大大減小，具有高輸入阻抗和共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，適宜于測量遠距離傳輸過來的信號，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW是用 來調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈電位器。 

　　實際電路中A1、A2采用低漂移高精度運放OP-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂αVIOS和輸入失調(diào)電流溫漂αIIOS都很小， OP-07采用超高工藝和“齊納微調(diào)”技術(shù)，使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小， 廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度范圍0～70℃，一般不需調(diào)零，如果需要調(diào)零可采用 RW進行調(diào)整。A3采用741芯片，它要求雙電源供電，供電范圍為±(3～18)V，典型供電為±15V，一般應(yīng)大于或等于 ±5V，其內(nèi)部含有補償電容，不需外接補償電容。 

　　(3) A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換電路 

　　 經(jīng)過測量放大器放大后的電壓信號，其電壓范圍為0～5V，此信號為模擬信號， 計算機無法接受，故必須進行A/D轉(zhuǎn)換。實際電路中，選用ICL7109芯片。ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分型12位 A/D轉(zhuǎn)換器。由于目前12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器價格較高，因此在要求速度不太高的場合，如用于稱重測壓力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統(tǒng) 中時，可采用廉價的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(精確到1/212=1/4096)；(2) 低噪聲(典型值為15μVP-P)；(3)低漂移(<1μV/℃)；(4)高輸入阻抗(典型值1012Ω)；(5)低功耗 (<20mW)；(6)轉(zhuǎn)換速度最快達30次/秒，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時，速度為7.5次/秒；(7)片內(nèi)帶有振蕩器，外部可接晶振或 RC電路以組成不同頻率的時鐘電路；(8)12位二進制輸出，同時還有一位極性位和一位溢出位輸出；(9)輸出與TTL兼容，以字節(jié)方式(分高低字節(jié))三 態(tài)輸出，并且具有VART掛鉤方式，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統(tǒng)；(10)可用RVNHOLD(運行/保持)和STATUS(狀態(tài))信號監(jiān)視 和控制轉(zhuǎn)換定時；(11)所有輸入端都有抗靜電保護電路。

ICL7109內(nèi)部有一個14位(12位數(shù)據(jù)和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一個14位的三態(tài)輸出寄存器，同時可以很方便地與各種微處理器直接連接，而 無需外部加額外的鎖存器。ICL7109有兩種接口方式，一種是直接接口，另一種是掛鉤接口。在直接接口方式中，當(dāng)ICL7109轉(zhuǎn)換結(jié)束時，由 STATUS發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束指令到單片機，單片機對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進行讀數(shù)。在掛鉤接口方式時，ICL7109提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換模 式，適用于遠距離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ICL7109為40線雙列直插式封裝，各引腳功能參考相關(guān)文獻。

　　(4) ICL7109與89C51的接口

　　本系統(tǒng)采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接輸出方式。振蕩器選擇端(即OS端，24腳)接地，則7109的時鐘振蕩器以晶 體振蕩器工作，內(nèi)部時鐘等于58分頻后的振蕩器頻率，外接晶體為6MHz，則時鐘頻率=6MHz/58=103kHz。積分時間=2048× 時間周期=20ms，與50Hz電源周期相同。積分時間為電源周期的整數(shù)倍，可抑制50Hz的串模干擾。

　　在模擬輸入信號較小時，如0～0.5伏時，自動調(diào)零電容可選比積分電容CINT大一倍，以減小噪聲，CAZ的值越大，噪聲越小，如果CINT選為 0.15μF，則CAZ=2CINT=0.33μF。

　　由傳感器傳來的微弱信號經(jīng)放大器放大后為0～5V，這時噪聲的影響不是主要的，可把積分電容CINT選大一些，使CINT=2CAZ，選CINT= 0.33μF，CAZ=0.15μF，通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF間選擇。積分電阻RINT等于滿度電壓時對應(yīng) 的電阻值(當(dāng)電流為20μA、輸入電壓=4.096V時，RINT=200kΩ)，此時基準(zhǔn)電壓V+RI和V-RI之間為2V，由電阻 R1、R3和電位器R2分壓取得。

　　本電路中，CE/LOAD引腳接地，使芯片一直處于有效狀態(tài)。RUN/HOLD(運行/保持)引腳接+5V，使A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進行。

　　A/D轉(zhuǎn)換正在進行時，STATUS引腳輸出高電平，STATUS引腳降為低電平時，由P2.6輸出低電平信號到ICL7109的HBEN，讀高4位數(shù) 據(jù)、極性和溢出位；由P2.7輸出低電平信號到LBEN，讀低8位數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中盡管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進 行，然而如果89C51不查詢P1.0引腳，那么就不會給出HBEN、LBEN信號，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果不會出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線D0～D7上。不需要采集數(shù)據(jù) 時，不會影響89C51的工作，因此這種方法可簡化設(shè)計，節(jié)省硬件和軟件。

　　(5)顯示電路

　　采用3位LED數(shù)碼管顯示器，數(shù)碼管的段控用P1口輸出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。7407是6位的驅(qū)動門，它是一個集電極開路門，當(dāng)輸 入為“0”時輸出為“0”；輸入為“1”時輸出斷開，須接上位電路。共用兩片 7407，分別作為段控和位控的驅(qū)動。數(shù)碼管選共陽極接法，當(dāng)位控為“1”時，該數(shù)碼管選通，動態(tài)顯示用軟件完成，節(jié)省硬件開銷。硬件原理如圖1所示。

　　2、軟件設(shè)計

　　ICL模塊：從A/D轉(zhuǎn)換器讀取結(jié)果的模塊，它連續(xù)讀3次，讀出3個結(jié)果分別存放于內(nèi)部30H～35H單元(雙字節(jié)存放)。

　　WAVE數(shù)字濾波模塊：它是將ICL模塊輸出的3個結(jié)果排序，取中間的數(shù)作為選用的測量值。此模塊可以避免因電路偶然波動而引起的脈沖量的干擾，使顯示數(shù)據(jù)平穩(wěn)。

　　MODIFY模塊：它是補償熱電偶冷端器25℃時的量值，相當(dāng)于儀表中的零點調(diào)到25℃，稱此模塊為零點校正模塊(此溫度為室溫)。

　　YA查表模塊：它是核心模塊。表格數(shù)據(jù)是按一定規(guī)律增長的數(shù)據(jù)(0～655℃)，表格中電壓值與溫度值一一對應(yīng)，表格中的電壓值是熱電偶輸出信號乘以放大 倍數(shù)(150)以后的結(jié)果，變成十六進制數(shù)進行存放，低位在前，高位在后，因而它的數(shù)據(jù)地址可以代表溫度值，用查找的內(nèi)容的地址減去表格首地址0270H 后再除以2(雙字節(jié)存放)即為溫度值。此數(shù)據(jù)為十六進制數(shù)還需進行二十進制轉(zhuǎn)換(CLEAN)，再送顯示器顯示。

　　查表法：采用二分查找法，DP先找對半值(MIDDLE)同轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)比較(COMPARE)，看屬哪一半，修改表格上下限值，再進行對半比較，經(jīng)過若干次 后，直到找到數(shù)據(jù)為止，如果找不到，也就是說被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)介于表格中兩相鄰值之間，則再調(diào)用取近值模塊(NEAR)，選擇與被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)接近的那個數(shù)據(jù)作為查 找到的數(shù)據(jù)，然后調(diào)用溫度值模塊(FIND)，整個查表模塊就完成了從輸入到輸出的變化。

　　DIR：采用動態(tài)3位顯示，顯示時間由實驗測定，各模塊設(shè)計完成后要進行測試，盡量使其內(nèi)聚性強、模塊間耦合性強，并采用數(shù)據(jù)耦合。

二、恒溫爐控制器

　　此恒溫爐主要由液化氣提供熱源，熱效率高，且取暖費用低廉。人工預(yù)設(shè)加熱溫度值后，控制器能準(zhǔn)確地把溫度控制在設(shè)定值的±1℃，現(xiàn)場使用方 便。其主要性能指標(biāo)為：溫度可調(diào)范圍在10～50℃之間；溫度精度可精確到0.25℃；當(dāng)環(huán)境中的氧含量低于某一值時，控制電路自動關(guān)閉加熱爐，等待人工 處理。

　　1、硬件設(shè)計

　　該控制器是以89Ｃ51為控制核心，以電磁閥為驅(qū)動部件，以及溫度采樣、熱電偶信號采樣、顯示等電路組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　89Ｃ51單片機，其指令系統(tǒng)與ＭＣＳ-51完全兼容，且片內(nèi)帶有4ＫＢ的Ｅ2ＰＲＯＭ，可以方便地構(gòu)成一個最小系統(tǒng)。采樣10位數(shù)字溫度傳感器，經(jīng)ＣＰＵ處理后，實時地顯示在液晶屏上，熱電偶電路時刻監(jiān)視著是否有異常情況出現(xiàn)。

　?。?）數(shù)字溫度采樣電路

　　本系統(tǒng)中使用ＡＤ公司的產(chǎn)品ＡＤ7416，它由帶隙溫度傳感器、10倍Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器、溫度寄存器、可設(shè)點比較器、故障排隊計數(shù)器等組成。傳感器將溫度轉(zhuǎn)換 成電壓，將由Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成10位數(shù)字量送溫度值寄存器。Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器的一次轉(zhuǎn)換時約為400μｓ，精度可達025。

　?。粒?416的接口方式為Ｉ2Ｃ/ＳＭＢＵＳ，溫度測量范圍為-55～125℃之間，有節(jié)電工作方式，可用于電池供電。ＡＤ7416的地址由Ａ0、Ａ1、 Ａ2決定，地址格式為：1001Ａ2Ａ

1Ａ0Ｒ/Ｗ，最大可并聯(lián)8片，本系統(tǒng)中只用了一片ＡＤ7416，連線方式如圖5.3.3所示。因溫度的慣性系數(shù)較 大，可采用簡便有效的移動平均值法、中值法、低通濾波法等進行軟件濾波。實時采樣和計算平均值，以平均值作為實際溫度采樣值。采樣次數(shù)為8～16次。由于 采用了數(shù)字溫度傳感器，完全打破了傳統(tǒng)的設(shè)計模式，簡化了設(shè)計方案，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便地實現(xiàn)了標(biāo)度變換。

　?。?）熱電偶反饋電路

　　因為加熱器使用液化氣為燃料，加熱過程要耗氧，可能引起環(huán)境中的氧含量不足，所以在加熱器加熱過程中要時刻監(jiān)視液化氣燃燒是否充分。實驗證明，當(dāng)氧含量正 常時，燃氣燒到熱電偶輸出的電壓在20ｍＶ以上，而當(dāng)氧含量低于某一值時，熱電偶輸出的電壓會在12ｍＶ以下。通過如圖5.3.4所示電路，把熱電偶電壓 接入電路，以檢測電壓超過18ｍＶ時，電路輸出端輸出高電平，電壓低于13ｍＶ時，電路輸出端輸出低電平。

　?。?）其他外圍驅(qū)動電路

　　其功能主要是把Ｐ1口輸出的信號接入7407，由7407驅(qū)動固態(tài)繼電器的輸入端，繼電器的輸出端驅(qū)動兩個電磁閥和一個電子脈沖打火器。

　　為了控制恒溫爐的溫度并向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應(yīng)附有鍵盤，并能完成溫度的增減，恒溫爐的啟動與停止，另外還設(shè)有設(shè)置鍵，用于加熱過程中重新設(shè)置溫度，當(dāng)恒 溫爐啟動后，液晶屏即實時地顯示所測量的溫度值，出現(xiàn)異常情況顯示故障狀態(tài)。

　　2、軟件設(shè)計

　　軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件主要完成如下任務(wù)：掃描鍵盤并按要求調(diào)出設(shè)定值或輸入新的設(shè)定值，并判斷是否啟動，啟動時首先打開加熱閥供氣，開啟電子打火器， 點火成功后，打開主出氣閥，然后監(jiān)視溫度的變化，當(dāng)溫度超出設(shè)定溫度值1℃時，關(guān)閉主出氣閥，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度1℃時，打開主出氣閥。若點火不成功，則 每隔15ｓ重復(fù)上述啟動過程，若3次點火不成功，關(guān)閉加熱偶閥，在液晶屏顯示故障狀態(tài)。正常啟動后，程序時刻監(jiān)視熱電偶的狀態(tài)，若出現(xiàn)熱電偶電壓不足，關(guān) 閉主出氣閥和加熱閥，等待人工參預(yù)。