熱電偶傳感器測溫系統的設計應用

摘要:研究了單片機控制系統在傳感器測溫過(guò)程中的應用,其中包括對傳感器輸出的小信號如何進(jìn)行放大、轉換控制并直接顯示成溫度量,為發(fā)電廠(chǎng)、化工廠(chǎng)提供了實(shí)用的測溫及溫度控制系統。
單片機系統是智能儀器的核心部件,它具有人工不可比擬的優(yōu)點(diǎn)一精度高速度強抗干擾性等,本文所設計的傳感器測溫系統就是典型的單片機控制系統,它由三大部分組成: (1)測量放大電路; (2)A bD轉換電路; (3)顯示電路
1硬件設計
(1)熱電偶溫度傳感器本文使用鎳鉻一鎳硅熱電偶, 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= 192, 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= Rcw,a 端無(wú)輸出當冷端溫度偏離20℃時(shí)，例如升高時(shí)，Rau增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著(zhù)冷端溫度的升高而減小Ua與熱電勢減小量等,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- - 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= Vo/V2- V1,Av= Rƒ/R(1+ (Rƒ1+ Rƒ2)/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A 1A2采用低漂移精度高運放OP- 07 芯片,其輸入失調電壓溫漂ɑVios和輸入失調電流溫漂XIos都很小，OP- 07采用超高工藝和“齊納微調’技術(shù)，使其Vios、Iios、ɑVios和ɑIios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,-般應大于或等于土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ICL 7109 芯片ICL 7109是一種精度高低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分型12位AD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精度高測量系統中時(shí),可采用廉價(jià)的雙積分式12位A/D轉換器ICL 7109 ICL 7109主要有如下特性:　
(1)精度高(精確到1/21¹²= 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- -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ICL 7109 內部有一個(gè)14位(12位數據和一-位極性、- -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LCL 7109有兩種接口方式，-種是直接接口，另-種是掛鉤接口在直接接口方式中，當ICL 7109 轉換結束時(shí),由STATU S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), KCL 7109 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ICL 7109 為40線(xiàn)雙列直插式封裝,各引腳功能本文從略。
(4) CL 7109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=6M Hz/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)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C_INT大一倍, 以減小噪聲, C_AZ的值越大，噪聲越小，如果C_INT選為0.15μF, 則C_AZ= 2Cxvτ= 0.33uF.
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Cxr選大- -些,使Cnvτ= 2Caz, 選Covτ= Q 33μF,Caz= Q 15uF, 通常Cor和Cxz可在0.1μF至1μF間選擇積分電阻R_INT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), R _INT= 200kΩ),此時(shí)基準電壓V+Rt,和-Rt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Ab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P2o輸出低電平信號到ICL7109的HBEN,讀高4位數據極性和溢出位;由P27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/b轉換連續進(jìn)行，然而如果89C51不查詢(xún)P1o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)Do~ 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L ED數碼管顯示器,數碼管的段控用P:口輸出,位控由PaoP31Pa 32控制7407是6位的驅動(dòng)門(mén),它是一一個(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.

2軟件設計
軟件模塊如圖2所示
(1) ICL模塊:從A/b轉換器讀取結果的模塊,它連續讀3次,讀出3個(gè)結果分別存放于內部30H~ 35H單元(雙字節存放).
(2) WAVE數字濾波模塊:它是將CL模塊輸出的3個(gè)結果排序,取中間的數作為選用的測量值此模塊可以避免因電路偶然波動(dòng)而引起的脈沖量的干擾,使顯示數據平穩
(3)MODIFY模塊:它是補償熱電偶冷端器25"C時(shí)的量值,相當于儀表中的零點(diǎn)調到25℃,稱(chēng)此模塊為零點(diǎn)校正模塊(此溫度為室溫).
(4) YA查表模塊:它是核心模塊表格數據是按一定規律增長(cháng)的數據(0~ 655℃),表格中電壓值與溫度值一一對應,表格中的電壓值是熱電偶輸出信號乘以放大倍數(150)以后的結果,變成十六進(jìn)制數進(jìn)行存放,低位在前，高位在后,因而它的數據地址可以代表溫度值,用查找的內容的地址減去表格首地址0270H后再除以2(雙字節存放)即為溫度值此數據為十六進(jìn)制數還需進(jìn)行二十進(jìn)制轉換(CL EAN ),再送顯示器顯示
(5) 查表法:采用二分查找法,DP先找對半值(M DDLE)同轉換數據比較(COM PARE),看屬哪- - 半,修改表格上下限值,再進(jìn)行對半比較,經(jīng)過(guò)若干次后，直到找到數據為止,如果找不到，也就是說(shuō)被轉換數據介于表格中兩相鄰值之間,則再調用取近值模塊NEAR),選擇與被轉換數據接近的那個(gè)數據作為查找到的數據,然后調用溫度值模塊(F ND),整個(gè)查表模塊就完成了從輸入到輸出的變化
(6)DIR采用動(dòng)態(tài)3位顯示，顯示時(shí)間由實(shí)驗測定,各模塊設計完成后要進(jìn)行測試，盡量使其內聚性強模塊間耦合性強，并采用數據耦合
(7)程序清單(略)
3結論
　　本系統經(jīng)硬件軟件連接調試，分辨率可達±3℃,滿(mǎn)足測溫要求;已在系實(shí)訓基地DCS集散控制系統中應用,能完成檢測與儀表專(zhuān)業(yè)自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)的部分專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)驗該系統也可在發(fā)電廠(chǎng)、化工廠(chǎng)等自動(dòng)控制中應用。