热电偶传感器测温系统的设计应用

介绍一种典型的单片机控制的测温系统。 它由三大部分组成。 (1)测量放大电路(2)A/D转换电路(3)显示电路。 它广泛应用于电厂、化工厂的测温和温度控制系统。 1、硬件设计(1)热电偶温度传感器本系统使用镍的镍硅热电偶，被测温度范围为0~655℃，采用冷端补偿或补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电位，补偿由热电偶的冷端温度变化引起的热电势变化值。 不平衡桥由电阻R1、R2、R3(锰铜线卷绕)、Rcu (铜线卷绕)四个桥臂和桥稳压源构成，与热电偶电路串联连接。 Rcu连同热电偶的冷端±； 0℃、R1=R2=R3=1&Omega； 桥电源电压为4V，由稳压电源供给，Rs为限流电阻，其电阻值因热电偶而异，桥通常在20℃下平衡，此时桥的4个桥电阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端没有输出。 如果冷端温度偏离20℃，则例如Rcu变高，但热电偶的热电势随着冷端温度的变高而变小。 Uab和热电势的减少量相等，即使Uab和热电势重叠，输出电位也不变，达到了冷端补偿的自动完成。 (2)在测量和放大电路的实际电路中，从热电偶输出的信号zui仅为几十毫伏( <； 30mV )，其中包含商用频率、静电和磁耦合等共模噪声，在这种电路放大中需要放大电路具有高共模抑制比和高增益、低噪声和高输入阻抗，因此优选采用测量放大电路。 测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥式放大器，输入阻抗高，易与各种信号源匹配。 输入失步电压、输入失步电流和输入偏置电流小，温度漂移小。 由于时间的温度漂移小，测量放大器的稳定性好。 在由三相运算放大器构成的测量放大器中，差动输入端子R1和R2分别连接到A1和A2的同相端子。 输入阻抗高，采用对称的电路结构，并且通过将被测定信号直接施加给输入端子，来较强地保证抑制共模信号的能力。 A3实际上是差动跟随器，其增益几乎为1。 测量放大器的放大率为AV=V0/(V2-V1)、AV=RF/R(1+(Rf1+Rf2)/RW )。 该电路使用微输出传感器是非常容易的，因为当a-1和a-2的性能彼此对称时(主要指输入阻抗和电压增益)，漂移大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，并且对微差分模式电压敏感以适于测量在远距离处传送的信号 RW是用于调整放大率的外接电阻，在此使用多旋转电位器。 在实际电路中，A1和A2以低漂移和高精度传送OP-07芯片，并且失调电压温度漂移&alpha； VIOS和输入失步电流温度漂移&alpha； IIOS小，OP-07是超高过程和&ldquo； 吉娜微调&rdquo； 技术、VIOS、IIOS、&alpha； VIOS与&alpha； IIOS均较小，广泛应用于稳定积分、精密相加、比校准检波和微弱信号的精密放大等。 OP-07需要双电源供给，温度范围为0~70℃，通常不需要零调整，需要零调整时可通过RW进行调整。 A3采用741芯片，要求双电源供应，供电范围为±； (3~18)V，典型的供电为±； 15V，一般为±以上5V，内部包含补偿容量，无需外接补偿容量。 (3)A/D (模拟数字)转换电路用测量放大器放大的电压信号，其电压范围为0~5V，该信号是模拟信号，计算机不接受，因此需要进行A/D转换。 在实际电路中，选择ICL7109芯片。 ICL7109是具有高精度、低噪声、低漂移、廉价的双积分型12位A/D转换器。 当前，由于12位依次近似式A/D转换器昂贵，因而当要求速度不太高时，例如在测定测定压力、测定温度等各种传感器信号的高精度的测定系统中，能够采用廉价的2积分式12位A/D转换器ICL7109。 ICL7109主要具有(1)高精度(1/212=1/4096为止)这样特性(2)低噪声(标准值为15&mu； VP-P； (3)低漂移( <； 1&mu； V/℃； (4)高输入阻抗(标准值1012&Omega； ]； (5)低功耗( <； 20mW； (6)在转换速度zui达到30次/秒并且将3.58MHz晶体振子用作振动源的情况下，速度为7.5次/秒的(7)芯片中具有振荡器，并且可以通过将晶体振荡器或RC电路连接到芯片外部来构造具有不同频率的时钟电路，(8)12比特二进制输出； 其中具有1比特极性比特和1比特溢出比特输出(9)输出与TTL兼容，并且可以以字节(划分为高字节)三态输出，具有VART挂接方法，通过简单的并行或串行端口将输出连接到微处理器系统( 10 )；以及 和STATUS (状态)信号可监视控制切换时间的( 11 )所有输入端子均有防静电电路。 ICL7109内部包括14位锁存器( 12位数据和1位极性、1位溢出)和14位三态输出寄存器，无需向外部添加锁存器即可直接连接到各种微处理器。 ICL7109有两种接口方法:直接接口和挂接接口。 在直接接口方案中，当ICL7109的转换终止时，转换终止命令被从STATUS输出到单片微计算机，并且单片微计算机按照分开的方式读取转换之后的数据，其中该转换后的数据包括高位字节和低位字节。 在挂接接口方案的情况下，ICL7109提供工业标准的数据交换模式并且应用于远程数据采集系统。 ICL7109是一个40线双联封装，各针脚的功能参考了相关文献。 (4)ICL7109和89C51的接口基本系统采用直接接口方式，7109的模式侧被接地，7109以直接输出方式动作。 当振荡器选择端子(即，OS端子，24脚)接地时，7109个时钟振荡器工作在晶体振荡器中，其内部时钟等于58分钟的振荡器频率，而外部晶体是6MHz，时钟频率=6MHz/58=103kHz。 积分时间=2048×； 时间周期=20ms，与50Hz电源周期相同。 积分时间是电源周期的整数倍，可以抑制50Hz的串行模式干扰。 在模拟输入信号较小的情况下，例如，在0~0.5伏的情况下，可以将自动调零电容设为积分电容CINT的2倍，可以减少噪声，CAZ的值越大，则噪声越小，如果CINT被选择为0.15&mu，则CAZ=2CINT=0.33&mu； f。 当来自传感器的微弱信号被放大器放大之后处于0~5V时，噪声的影响不是主要的，而是可以较大地选择积分电容CINT、CINT=2CAZ、CINT=0.33&mu的f、CAZ=0.15&mu； f，通常CINT和CAZ在0.1&mu的f到1&mu； f间选择。 积分电阻RINT是与满足度电压情况对应的电阻值(电流为20&mu； a、输入电压=4.096V时，RINT=200k&Omega； 在此情况下，基准电压V+RI与V-RI之间为2V，通过电阻R1、R3与电位器R2的分压来取得。 本电路将CE/LOAD端子接地，芯片始终处于有效状态。 在RUN/HOLD (运行/保持)端子上连接+5V，连续进行A/D转换。 在A/D转换正在进行中，当状态端子成为高电平、状态端子成为低电平时，从P2.6向ICL7109的HBEN输出低电平的信号，读出高位4位的数据、极性、溢出比特，从P2.7向LBEN输出低电平信号，低位8位 在本系统中连续进行CE/LOAD接地、RUN/HOLD连接+5V、A/D变换，但如果89C51不查询P1.0端子，则不能赋予HBEN、LBEN信号，A/D变换的结果不出现在数据总线D0~D7中。 在不需要收集数据的情况下，不影响89C51的工作，因此此方法简化了设计且节省了硬件和软件。 (5)显示电路采用3位LED数字管道显示器，数字管道的段控制在P1端口进行输出，位控制在P3.0、P3.1、P3.2进行控制。 7407是6位驱动栅极，其为集电极开路栅极，其输入为&ldquo； 0&rdquo； 时间输出为&ldquo； 0&rdquo； 输入是&ldquo； 1&rdquo； 时输出为off时，必须连接位电路。 共享两个7407，分别作为段控制和比特控制的驱动。 数字编码管选择阳极接合法，其位为&ldquo； 1&rdquo； 时，此数字代码将打开，动态显示软件将完成，从而节省硬件开销。