熱電偶傳感器

一、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(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。

二、恒溫爐控制器
       此恒溫爐主要由液化氣提供熱源，熱效率高，且取暖費用低廉。人工預設加熱溫度值后，控制器能準確地把溫度控制在設定值的±1℃，現(xiàn)場使用方便。其主要性能指標為：溫度可調(diào)范圍在10～50℃之間；溫度精度可精確到0.25℃；當環(huán)境中的氧含量低于某一值時，控制電路自動關(guān)閉加熱爐，等待人工處理。
       1、硬件設計
       該控制器是以89ｃ51為控制核心，以電磁閥為驅(qū)動部件，以及溫度采樣、熱電偶信號采樣、顯示等電路組成。系統(tǒng)框圖如圖5.3.2所示。
  　　
                                                    圖5.3.2　恒溫爐控制器系統(tǒng)框圖
       89ｃ51單片機，其指令系統(tǒng)與ｍｃｓ-51完全兼容，且片內(nèi)帶有4ｋｂ的ｅ2ｐｒｏｍ，可以方便地構(gòu)成一個最小系統(tǒng)。采樣10位數(shù)字溫度傳感器，經(jīng)ｃｐｕ處理后，實時地顯示在液晶屏上，熱電偶電路時刻監(jiān)視著是否有異常情況出現(xiàn)。
       （1）數(shù)字溫度采樣電路
       本系統(tǒng)中使用ａｄ公司的產(chǎn)品ａｄ7416，它由帶隙溫度傳感器、10倍ａ/ｄ轉(zhuǎn)換器、溫度寄存器、可設點比較器、故障排隊計數(shù)器等組成。傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，將由ａ/ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成10位數(shù)字量送溫度值寄存器。ａ/ｄ轉(zhuǎn)換器的一次轉(zhuǎn)換時約為400μｓ，精度可達0 25。
       ａｄ7416的接口方式為ｉ2ｃ/ｓｍｂｕｓ，溫度測量范圍為-55～125℃之間，有節(jié)電工作方式，可用于電池供電。ａｄ7416的地址由ａ0、ａ1、ａ2決定，地址格式為：1001ａ2ａ1ａ0ｒ/ｗ，最大可并聯(lián)8片，本系統(tǒng)中只用了一片ａｄ7416，連線方式如圖5.3.3所示。因溫度的慣性系數(shù)較大，可采用簡便有效的移動平均值法、中值法、低通濾波法等進行軟件濾波。實時采樣和計算平均值，以平均值作為實際溫度采樣值。采樣次數(shù)為8～16次。由于采用了數(shù)字溫度傳感器，完全打破了傳統(tǒng)的設計模式，簡化了設計方案，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便地實現(xiàn)了標度變換。
       （2）熱電偶反饋電路
       因為加熱器使用液化氣為燃料，加熱過程要耗氧，可能引起環(huán)境中的氧含量不足，所以在加熱器加熱過程中要時刻監(jiān)視液化氣燃燒是否充分。實驗證明，當氧含量正常時，燃氣燒到熱電偶輸出的電壓在20ｍｖ以上，而當氧含量低于某一值時，熱電偶輸出的電壓會在12ｍｖ以下。通過如圖5.3.4所示電路，把熱電偶電壓接入電路，以檢測電壓超過18ｍｖ時，電路輸出端輸出高電平，電壓低于13ｍｖ時，電路輸出端輸出低電平。
       （3）其他外圍驅(qū)動電路
       其功能主要是把ｐ1口輸出的信號接入7407，由7407驅(qū)動固態(tài)繼電器的輸入端，繼電器的輸出端驅(qū)動兩個電磁閥和一個電子脈沖打火器。
       為了控制恒溫爐的溫度并向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應附有鍵盤，并能完成溫度的增減，恒溫爐的啟動與停止，另外還設有設置鍵，用于加熱過程中重新設置溫度，當恒溫爐啟動后，液晶屏即實時地顯示所測量的溫度值，出現(xiàn)異常情況顯示故障狀態(tài)。
       2、軟件設計
       軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件主要完成如下任務：掃描鍵盤并按要求調(diào)出設定值或輸入新的設定值，并判斷是否啟動，啟動時首先打開加熱閥供氣，開啟電子打火器，點火成功后，打開主出氣閥，然后監(jiān)視溫度的變化，當溫度超出設定溫度值1℃時，關(guān)閉主出氣閥，當溫度低于設定溫度1℃時，打開主出氣閥。若點火不成功，則每隔15ｓ重復上述啟動過程，若3次點火不成功，關(guān)閉加熱偶閥，在液晶屏顯示故障狀態(tài)。正常啟動后，程序時刻監(jiān)視熱電偶的狀態(tài)，若出現(xiàn)熱電偶電壓不足，關(guān)閉主出氣閥和加熱閥，等待人工參預。
                                                   
                                                          圖5.3.3　采樣電路
            
                                        圖5.3.4　熱電偶反饋電路