熱電偶傳感器測溫系統的設計應用

熱電偶傳感器測溫系統的設計應用

一、熱電偶傳感器測溫系統的設計應用

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

　　1、硬件設計

　　(1) 熱電偶溫度傳感器

　　本系統使用鎳鉻—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(lái)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(shí)平衡，這時(shí)電橋的四個(gè)橋臂電阻 R1=R2=R3=Rcu，a、b端無(wú)輸出。當冷端溫度偏離20℃時(shí)，例如升高時(shí)，Rcu增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著(zhù)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
補償的自動(dòng)完成。

　　(2) 測量放大電路

　　實(shí)際電路中，從熱電偶輸出的信號最多不過(guò)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(chēng)數據放大器、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，而它的輸入失調電壓和輸入失調電流及輸入偏置電流小，并且溫漂較 小。由于時(shí)間溫漂小，因而測量放大器的穩定性好。由三運放組成測量放大器，差動(dòng)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(chēng)電路 結構，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(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數為：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(chēng)(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(guò)來(lái)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(lái)調整放大倍數的外接電阻，在此用多圈電位器。

　　實(shí)際電路中A1、A2采用低漂移高精度運放OP-07芯片，其輸入失調電壓溫漂αVIOS和輸入失調電流溫漂αIIOS都很小， OP-07采用超高工藝和“齊納微調”技術(shù)，使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小， 廣泛應用于穩定積分、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℃，一般不需調零，如果需要調零可采用 RW進(jìn)行調整。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，一般應大于或等于 ±5V，其內部含有補償電容，不需外接補償電容。

　　(3) A/D(模數)轉換電路

　　 經(jīng)過(guò)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(wú)法接受，故必須進(jìn)行A/D轉換。實(shí)際電路中，選用ICL7109芯片。ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分型12位 A/D轉換器。由于目前12位逐次逼近式A/D轉換器價(jià)格較高，因此在要求速度不太高的場(chǎng)合，如用于稱(chēng)重測壓力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統 中時(shí)，可采用廉價(jià)的雙積分式12位A/D轉換器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)轉換速度最快達30次/秒，當采用3.58MHz晶振作振源時(shí)，速度為7.5次/秒；(7)片內帶有振蕩器，外部可接晶振或 RC電路以組成不同頻率的時(shí)鐘電路；(8)12位二進(jìn)制輸出，同時(shí)還有一位極性位和一位溢出位輸出；(9)輸出與TTL兼容，以字節方式(分高低字節)三 態(tài)輸出，并且具有VART掛鉤方式，可以用簡(jiǎn)單的并行或串行口接到微處理系統；(10)可用RVNHOLD(運行/保持)和STATUS(狀態(tài))信號監視 和控制轉換定時(shí)；(11)所有輸入端都有抗靜電保護電路。

ICL7109內部有一個(gè)14位(12位數據和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一個(gè)14位的三態(tài)輸出寄存器，同時(shí)可以很方便地與各種微處理器直接連接，而 無(wú)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ICL7109轉換結束時(shí)，由 STATUS發(fā)出轉換結束指令到單片機，單片機對轉換后的數據分高位字節和低位字節進(jìn)行讀數。在掛鉤接口方式時(shí)，ICL7109提供工業(yè)標準的數據交換模 式，適用于遠距離的數據采集系統。ICL7109為40線(xiàn)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(shí)鐘振蕩器以晶 體振蕩器工作，內部時(shí)鐘等于58分頻后的振蕩器頻率，外接晶體為6MHz，則時(shí)鐘頻率=6MHz/58=103kHz。積分時(shí)間=2048× 時(shí)間周期=20ms，與50Hz電源周期相同。積分時(shí)間為電源周期的整數倍，可抑制50Hz的串模干擾。

　　在模擬輸入信號較小時(shí)，如0～0.5伏時(shí)，自動(dòng)調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(lái)的微弱信號經(jīng)放大器放大后為0～5V，這時(shí)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(mǎn)度電壓時(shí)對應 的電阻值(當電流為20μA、輸入電壓=4.096V時(shí)，RINT=200kΩ)，此時(shí)基準電壓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轉換連續進(jìn)行。

　　A/D轉換正在進(jìn)行時(shí)，STATUS引腳輸出高電平，STATUS引腳降為低電平時(shí)，由P2.6輸出低電平信號到ICL7109的HBEN，讀高4位數 據、極性和溢出位；由P2.7輸出低電平信號到LBEN，讀低8位數據。本系統中盡管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D轉換連續進(jìn) 行，然而如果89C51不查詢(xún)P1.0引腳，那么就不會(huì )給出HBEN、LBEN信號，A/D轉換的結果不會(huì )出現在數據總線(xiàn)D0～D7上。不需要采集數據 時(shí)，不會(huì )影響89C51的工作，因此這種方法可簡(jiǎn)化設計，節省硬件和軟件。

　　(5)顯示電路

　　采用3位LED數碼管顯示器，數碼管的段控用P1口輸出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。7407是6位的驅動(dòng)門(mén)，它是一個(gè)集電極開(kāi)路門(mén)，當輸 入為“0”時(shí)輸出為“0”；輸入為“1”時(shí)輸出斷開(kāi)，須接上位電路。共用兩片 7407，分別作為段控和位控的驅動(dòng)。數碼管選共陽(yáng)極接法，當位控為“1”時(shí)，該數碼管選通，動(dòng)態(tài)顯示用軟件完成，節省硬件開(kāi)銷(xiāo)。硬件原理如圖1所示。