溫度檢測電路設(shè)計(jì)方案（一）

溫度檢測電路通常由溫度探測、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及結(jié)果處理等部分組成。溫度探測電路將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送處理器進(jìn)行必要的處理，從而獲得相應(yīng)的環(huán)境溫度參數(shù)，如圖1所示。

其中，溫度檢測部分一般采用熱敏電阻，但是熱敏電阻精度比較低，響應(yīng)速度較慢。目前出現(xiàn)了一些專用的溫度探測芯片，精度大大提高，而且對溫度改變的靈敏度也達(dá)到了非常高的標(biāo)準(zhǔn)，如National公司的IM35系列。

溫度探測電路一般是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化，因此需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能為處理器所接受，從而通過計(jì)算獲得真實(shí)的溫度信息以便處理器進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

下面以National公司的IM35系列溫度傳感器和AD公司的AD7812模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，討論基于支持串行總線多通道、高精度溫度檢測方案的設(shè)計(jì)思想。其電路原理框圖如圖2所示。

電壓正比于當(dāng)前環(huán)境溫度，在室溫下，它的探測精度可以達(dá)到±1／4。C，在一55～+150℃區(qū)間，它的精度可以達(dá)到±34~C，它的典型變化趨勢是溫度每變化l℃，電壓變化10mV，其溫度／電壓轉(zhuǎn)化公式為：

V一10mV／℃·C（1）

式中：為轉(zhuǎn)換輸出電壓，C為系統(tǒng)實(shí)際溫度。

AD7812是一種串行AD轉(zhuǎn)換芯片，它支持最多8通道輸入（AD78ll為4通道），這樣我們就可以很容易的設(shè)計(jì)支持多路溫度檢測的電路。

AD7812的工作方式由一片內(nèi)部控制寄存器決定，它可以由Convst腳的脈沖輸入啟動轉(zhuǎn)換，也可以通過軟件控制完成轉(zhuǎn)換，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于軟件控制更加靈活，所以一般采用軟件控制的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它的控制寄存器定義如下：

軟件編程

軟件控制主要針對AD轉(zhuǎn)換芯片AD78l2進(jìn)行控制。需要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行數(shù)據(jù)讀取等功能。AD7812有兩種工作狀態(tài)，模式1在轉(zhuǎn)換完成后不關(guān)閉電源；模式2在轉(zhuǎn)換完成后關(guān)閉電源。一般情況下都選用模式l工作方式，以下就主要針對模式1工作方式展開討論。

圖3是一種典型的控制時(shí)序圖，首先置PD0、PD1位為l，開啟片內(nèi)電源，使芯片開始工作；在下一個(gè)啟動轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)就有效了，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)就可以串行輸出了。從圖中可以看出，第一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是無效的，這是因?yàn)槠瑑?nèi)電源還未開啟，這是編程者需要注意的地方。

圖4就是實(shí)際通訊時(shí)序圖。RFS是接收數(shù)據(jù)同步信號，TFS是發(fā)送數(shù)據(jù)同步信號。平時(shí)，Dout的輸出處于高阻狀態(tài)，在RFS上升沿后的第一個(gè)SCIK上升沿，Dour輸出數(shù)據(jù)有效，在第11個(gè)SCIK上升沿后，Dour重新回到高阻狀態(tài)；在TFS下降沿后的第一個(gè)SCIK下降沿。Din線上的數(shù)據(jù)串行移入片內(nèi)，在第l3個(gè)SCIKF降沿，片內(nèi)控制寄存器內(nèi)容被更新。在這里要注意，SCIK時(shí)鐘個(gè)數(shù)一定要保證，否則容易產(chǎn)生問題。

溫度檢測電路設(shè)計(jì)方案（二）

1、控總電路組成

溫控電路主要由電源部分、溫度檢測元件、信號放大、比例積分、電壓比較、移相觸發(fā)控制繼電器、超溫保護(hù)、加熱爐和LED顯示幾部分組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)電路組成圖

由溫度檢測元件可以檢測到溫度值信號，該信號經(jīng)過放大后輸送至比例積分電路并與溫度設(shè)定電壓比較，比較結(jié)果輸送至相觸發(fā)電路產(chǎn)生可變周期的脈沖以觸發(fā)固態(tài)繼電器中可控硅導(dǎo)通角，從而可控制加熱裝置的加熱功率，達(dá)到控制溫度的目的。溫度補(bǔ)償電路減少室溫對溫度測量準(zhǔn)確度的影響；超溫保護(hù)電路可以保證在加熱溫度超過設(shè)定值時(shí)，裝置停止加熱，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

2、各分電路設(shè)計(jì)

溫控電路中需要直流電壓的器件為運(yùn)算放大器及電子信息顯示模塊。該電壓由220V交流電壓經(jīng)整流濾波后加。至三端穩(wěn)壓器輸出得到。其電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

2.2、輸入溫度信號放大及溫度補(bǔ)償電路

用感溫元件鎳硌一鎳鉻K型熱電偶作溫度傳感器來采集溫度信號，溫度信號為mV級，實(shí)際測量時(shí)需經(jīng)過放大處理。熱電偶測量溫度信號受工作端溫度和自由端環(huán)境溫度影響，所以測量中需要加補(bǔ)償信號消除環(huán)境溫度變化對溫度測量的影響。具體電路如圖3所示。

圖3 信號放大及溫度補(bǔ)償電路

2.3、超溫保護(hù)電路

以將功率為60w將加熱裝置加熱至750℃為例，圖3中溫度信號經(jīng)過放大100倍后加到比例積分電路并與溫度設(shè)定電壓比較，比較結(jié)果輸送相觸發(fā)電路產(chǎn)生可變周期脈沖以觸發(fā)固態(tài)繼電器。為避免加熱溫度過高設(shè)置超溫保護(hù)電路，在溫度過高時(shí)切斷加熱電壓。具體電路如圖4所示。

圖4 比例積分、電壓比較、移相觸發(fā)及超溫保護(hù)電路

溫度檢測電路設(shè)計(jì)方案（三）

在溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器必須把溫度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)階段（信號處理取決于不同的傳感器），然后送到一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)值。系統(tǒng)還需要通信外設(shè)電路來和其它大的設(shè)備接口連接以便提供反饋，或者將數(shù)值送至片上閃存來存儲測量值或者進(jìn)行必要的顯示。圖2顯示了溫度測量系統(tǒng)的基本框圖。

圖2：溫度測量系統(tǒng)框圖

盡管圖2顯示在ADC之前進(jìn)行了信號處理，是否有需要在信號轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行處理還取決于是模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)。整體精度依賴于噪聲控制、偏移、預(yù)處理電路及ADC所帶來的增益誤差。很多應(yīng)用需要從遠(yuǎn)端進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集，比如礦場、工業(yè)、和各種自動化場合。利用串行通信協(xié)議，如UART、I2C都可以用來給主系統(tǒng)控制器傳輸這種溫度數(shù)據(jù)。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的本身有一個(gè)低通濾波來去除高頻噪聲。然而，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸出端的IIR濾波器將有助于進(jìn)一步弱化經(jīng)過它或傳輸給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC的噪聲頻帶。市面上的混合信號控制器都可配置數(shù)字濾波器，它可以通過器件本身硬件處理過濾而無需在固件電路上進(jìn)行過濾從而可以節(jié)省CPU周期。圖3所示實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于熱電偶的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，它使用了賽普拉斯公司的PSoC5和PSoC3器件來實(shí)現(xiàn)。這些器件都有片上20位分辨率的delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，都內(nèi)置了可編程增益緩存用來放大信號，內(nèi)置了數(shù)字濾波器模塊（DFB）來濾波。它提供了一個(gè)高度集成的溫度測量系統(tǒng)。然而，由于設(shè)計(jì)中有熱電偶，所以可能需要附加一個(gè)增益段。這個(gè)增益可以通過一個(gè)放大器來實(shí)現(xiàn)，可以使用片上的可編程增益放大器（PGA）。

圖3：基于熱電偶傳感器的溫度測量系統(tǒng)電路。

在圖3的系統(tǒng)中，模擬MUX、AMuxCDS和AMuxCDS_1是用來把傳感器正端和負(fù)端輸出的信號轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正輸入來實(shí)施相關(guān)雙抽樣?，F(xiàn)在的問題是使用相同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)如何讓兩個(gè)傳感器電路都是一樣的零參考值。答案是這樣的--熱敏電阻、熱電偶有不同的輸出電壓范圍，因此需要不同倍數(shù)的放大。PSoC3和PSoC5器件中的ADC有多個(gè)配置，可以改變運(yùn)行時(shí)間。對于不同的增益設(shè)置，偏移也不同，所以需要兩種傳感器電路中都使用相關(guān)雙抽樣。這會幫助消除整個(gè)模擬信號鏈的偏移。AMux用于傳感器在熱電偶、熱敏電阻之間的選擇。直接內(nèi)存訪問（DMA）讀取ADC值并寫入數(shù)字濾波模塊（DFB）來過濾噪聲。

RTD和熱敏電阻溫度傳感器設(shè)計(jì)電路

使用電阻式溫度檢測器（RTD）和熱敏電阻測量溫度時(shí)需要測量電阻，所以測量的方式?jīng)Q定了系統(tǒng)的精度。為了測量到精確的信號，應(yīng)該使用差分輸入而不是單端輸入。差分輸入可以消除普通噪聲，而且效果不錯(cuò)，可以達(dá)到μV級的敏感度（相對于單端輸入的mV靈敏度好多了）。讓我們來看看兩種連接-ve輸入到ADC的不同模式，詳見圖4。

圖4：兩種不同的-ve連接方式設(shè)計(jì)電路

圖4右邊的電路設(shè)計(jì)好于左邊的。在右面的電路中，-ve直接連接到靠近分壓電阻的參考電壓。右面的電路可以幫助降低測量時(shí)的噪聲的和由于PCB布局或走線阻抗帶來的誤差等等。

測量的準(zhǔn)確度主要取決于Rref的精確度。為了在電壓激勵(lì)中克服這個(gè)問題，RTD使用恒流源來代替電壓源。當(dāng)使用恒流源時(shí)，穿過RTD的電壓降只取決于其電阻值和恒流源值。然而，使用恒流源勵(lì)磁時(shí)測量的準(zhǔn)確度取決于電流源的精確度。由于是進(jìn)行精密的溫度測量工作，DAC電流應(yīng)該被TIA校準(zhǔn)。圖6顯示了使用PSoC3和PSoC5器件實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于RTD的溫度測量系統(tǒng)。這些器件有片上電流源，不需要額外增加模擬放大器電路。同時(shí)，這些設(shè)備有片上TIA可以用于為IDAC校準(zhǔn)。

圖6：基于電阻式溫度檢測器RTD的溫度測量設(shè)計(jì)電路

溫度檢測電路設(shè)計(jì)方案（四）

智能小車是一個(gè)運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、信號處理、電機(jī)驅(qū)動及自動控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感和自動行駛為一體的高新技術(shù)綜合體，它在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了應(yīng)用。本設(shè)計(jì)主要分為兩部分：按鍵控制部分和溫度檢測部分?？刂撇糠种饕呻娫措娐罚瑔纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，按鍵模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊組成，遙控部分的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。

小車部分由電源電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)，顯示電路，無線電木塊，報(bào)警電路，超聲波電路等電路模塊組成，小車部分的系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。

本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)，電機(jī)專用驅(qū)動芯片L298N進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動控制，主控芯片為STC89C52，控制器部分采用簡單按鍵，溫度數(shù)據(jù)的采集采用DS18B20溫度傳感器模塊，顯示部分采用1602液晶。

電路總體設(shè)計(jì)如圖：