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熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設計應用

日期:2024-10-28 05:39
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摘要:

熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設計應用

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,從而達到了冷端補償?shù)淖詣油瓿伞?br>(2) 測量放大電路
實際電路中,從熱電偶輸出的信號*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(**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*快達30次/秒,當采用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)標準的數(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的電阻值(當電流為20μA、輸入電壓=4.096V時,RINT=200kΩ),此時基準電壓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(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5-12所示。


圖5.3.1  熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)硬件原理圖
2、軟件設計
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,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。

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