基于K型熱電偶的帶式傳感器測溫系統

摘要:介紹一種基于K型熱電偶的帶式傳感器測溫系統,以數字溫度傳感器DSI8B20作為K型熱電偶的冷端補償,并由多路的測溫系統構成帶式傳感器陣列。仿真實(shí)驗結果表明，該測試系統具有良好的測試精度,性能可靠,可對高溫物體的多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,具有良好的工程化價(jià)值。
0引言
　　隨著(zhù)科技的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對高溫物體的多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)、準確地測量。而目前市場(chǎng)上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點(diǎn)測量，且溫度信息傳遞慢，精度低。在這樣的情況下，開(kāi)發(fā)一種能同時(shí)測量多點(diǎn)溫度，且實(shí)時(shí)性高、精度高的多點(diǎn)溫度信息的測量系統就很有必要。
　　本文采用K型熱電偶作為測溫元件，用數字溫度傳感器DS18B20作為溫度補償，將采集的信號經(jīng)過(guò)內部數字化處理后，通過(guò)RS-485總線(xiàn)互連并傳送至適配器。整個(gè)適配器通信模塊采用C8051F410作為微控制器。該測溫系統結構明確，可以非常容易實(shí)現多路測溫，輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò )。
1系統硬件整體結構設計
　　本文所研究的帶式傳感器陣列，由相對獨立的4個(gè)測試節點(diǎn)組成帶式傳感器。每個(gè)測試節點(diǎn)包括K型:熱電偶、運算放大器、濾波、A/D轉換、數字溫度傳感器DS18B20及相應的信號調理電路,每條傳感器測試帶上設置有一個(gè)行測試帶信息管理模塊，每一行內的測試節點(diǎn)與行測試帶信息管理模塊相連，行測試帶信息管理模塊負責進(jìn)行測試節點(diǎn)單元傳感器信號的采集，經(jīng)過(guò)內部數字化處理后，通過(guò)RS-485總線(xiàn)互連并傳輸至適配器。4行傳感器測試帶平行排列組合在一起，構成由4×4個(gè)測試節點(diǎn)組成的帶式傳感器陣列，由此滿(mǎn)足多點(diǎn)測試的要求。帶式傳感器陣列的電源通過(guò)共用的總線(xiàn)提供。系統整體結構框圖如圖1所示。

2系統各單元模塊設計.
2.1測試單元模塊設計
　　熱電偶溫度計屬于接觸式溫度測量?jì)x表，是根據熱電效應即塞貝克效應原理來(lái)測量溫度的，是溫度測量?jì)x表中常用的測溫元件。將不同材料的導體A.B接成閉合回路，接觸測溫點(diǎn)的一端稱(chēng)測量端,一端稱(chēng)參比端。若測量端和參比端所處溫度t和t。不同，則在回路的A.B之間就產(chǎn)生一熱電勢EAB[t，t0),這種現象稱(chēng)為塞貝克效應，即熱電效應。本文選用K型熱電偶作為測溫模塊。
　　本設計選用數字溫度傳感器DS18B20作為K型熱電偶的冷端補償模塊。DS18B20為可編程分辨率的單總線(xiàn)數字溫度傳感器?？赏ㄟ^(guò)數據線(xiàn)供電，供電范圍為3.0~5.5V,測溫范圍為-55℃~+125℃，精度為+0.5℃，傳感器分辨率可被使用者選擇為9~12位。DS18B20的連接電路圖如圖2所示。。

　　運放部分選用精密、低功耗儀表放大器INA128。它通用的3運放設計和體積小巧使其應用范圍廣泛，反饋電流輸入電路即使在高增益條件下也可提供較寬的帶寬，單個(gè)外部電阻可實(shí)現從1~10000的任一增益選擇。INA128的連接電路圖如圖3所示。

　　A/D轉換采用ADS1115。ADS1115為具有內部基準的超小型、低功耗、16位模數轉換器。ADS1113/4/5在設計時(shí)考慮到了精度、功耗和實(shí)現的簡(jiǎn)易性，具有一個(gè)板.上基準和振蕩器。數據通過(guò)一個(gè)I'C兼容型串行接口進(jìn)行傳輸，可以選擇4個(gè)IFC從地址。ADS1113/4/5采用2.0~5.5V的單工作電源。ADS1115的連接電路圖如圖4所示。

2.2信息管理模塊設計
　　信息管理模塊主要負責對測試節點(diǎn)傳感器信號的采集和處理，并與上位機進(jìn)行數據通信，接收上位機指令并將采集到的信息傳送到適配器中進(jìn)行保存或供上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)察。采用8051內核的微處理器對信息管理模塊數據采集進(jìn)行控制，對傳感器信號進(jìn)行A/D轉換、數據處理，然后通過(guò)485總線(xiàn)將數據輸出。
2.3適配器模塊設計
　　整個(gè)適配器通信模塊采用C8051F410作為微控制器，采用CP2200作為以太網(wǎng)控制器。系統提供RJ-45接口與網(wǎng)絡(luò )連接，完成對網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)工作。系統硬件電路設計簡(jiǎn)圖如圖5所示。

3軟件系統設計
　　首先，關(guān)閉單片機看門(mén)狗，初始化定時(shí)器，規定單片機10ms采集一次數據，初始化串口為方式一，循環(huán)采集16個(gè)傳感器的數據，打包以后放到隊列當中，通過(guò)RS-485通信上傳給上位機，由上位機讀取數據。主程序流程圖如圖6所示。

4結論
　　本文選用的K型熱電偶測溫范圍廣、價(jià)格低廉、重復性好、產(chǎn)生的熱電勢大，因而靈敏度很高，而且它的線(xiàn)性度很好，非常適合用于工業(yè)測溫。本文所提出的利用帶式傳感器組成傳感器陣列，進(jìn)行多點(diǎn)測溫，具有精度高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，適用于各種溫度檢測和控制系統。因此，在工廠(chǎng)、醫療、倉庫等各種需要多點(diǎn)測溫的場(chǎng)所中有著(zhù)廣闊的運用前景。