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熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2011-07-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://2s4d.com/article/161731.htm

一、

  下面介紹一個(gè)典型的單片機(jī)控制的,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。它廣泛于發(fā)電廠、化工廠的測溫及溫度控制系統(tǒng)中。

  1、硬件

  (1) 溫度

  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(bǔ)償采用補(bǔ)償電橋法,采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)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(shí)平衡,這時(shí)電橋的四個(gè)橋臂電阻 R1=R2=R3=Rcu,a、b端無輸出。當(dāng)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(dá)到了冷端
補(bǔ)償?shù)淖詣?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(shí)間溫漂小,因而測量放大器的穩(wěn)定性好。由三運(yùn)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(qiáng)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(shù)為:AV= V0/(V2-V1),AV=RF/R(1+(Rf1+Rf2)/RW)。在此電路中,只要運(yùn)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(yuǎn)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(shí)際電路中A1、A2采用低漂移高精度運(yùn)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(yīng)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(jìn)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(yīng)大于或等于 ±5V,其內(nèi)部含有補(bǔ)償電容,不需外接補(bǔ)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(jì)算機(jī)無法接受,故必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。由于目前12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)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(shí),可采用廉價(jià)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(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(zhuǎn)換速度最快達(dá)30次/秒,當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時(shí),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(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(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(yùn)行/保持)和STATUS(狀態(tài))信號監(jiān)視 和控制轉(zhuǎn)換定時(shí);(11)所有輸入端都有抗靜電保護(hù)電路。

ICL7109內(nèi)部有一個(gè)14位(12位數(shù)據(jù)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(dāng)ICL7109轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),由 STATUS發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束指令到單片機(jī),單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進(jìn)行讀數(shù)。在掛鉤接口方式時(shí),ICL7109提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換模 式,適用于遠(yuǎn)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(xiàn)。

  (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(shí)鐘振蕩器以晶 體振蕩器工作,內(nèi)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(shù)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(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(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等于滿度電壓時(shí)對應(yīng) 的電阻值(當(dāng)電流為20μA、輸入電壓=4.096V時(shí),RINT=200kΩ),此時(shí)基準(zhǔn)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(yùn)行/保持)引腳接+5V,使A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行。

  A/D轉(zhuǎn)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(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(jìn) 行,然而如果89C51不查詢P1.0引腳,那么就不會(huì)給出HBEN、LBEN信號,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線D0~D7上。不需要采集數(shù)據(jù) 時(shí),不會(huì)影響89C51的工作,因此這種方法可簡化設(shè)計(jì),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(dòng)門,它是一個(gè)集電極開路門,當(dāng)輸 入為“0”時(shí)輸出為“0”;輸入為“1”時(shí)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(dòng)。數(shù)碼管選共陽極接法,當(dāng)位控為“1”時(shí),該數(shù)碼管選通,動(dòng)態(tài)顯示用軟件完成,節(jié)省硬件開銷。硬件原理如圖1所示。

硬件原理


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