温度测试仪Word格式.docx
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3.1冷端采集和补偿电路模块4
3.1.1AD590介绍4
3.1.2冷端采集和补偿电路分析6
3.2热端放大电路模块6
3.3A/D转换器ADC08097
3.4单片机模块8
3.5LED显示模块11
4软件设计13
4.1主程序13
4.2A/D转换子程序13
4.3线性化标度变换子程序15
5系统调试18
5.1调试软件介绍18
5.1.1ISIS简介18
5.1.2KeilC51简介18
5.3软件调试18
6系统技术指标及精度和误差分析21
7设计小结22
8总结与体会23
参考文献24
附录1:
电路总图25
附录2:
总程序26
1绪论
温度是表征物体冷热程度的物理量,温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。
不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化,所以能作温度传感器的材料相当多。
例如,利用水银温度计、有机液体温度计、双金属温度计、液体压力温度计、铂电阻温度计、热敏电阻温度计、热电偶温度计、光学高温计、红外温度计、辐射温度计、比色温度计等等都可实现对温度的测量。
进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器,在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。
它结构简单、制造方便、测温范围宽(低至负180℃,高至1800℃)、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。
本文介绍一个基于热电偶的温度测试系统,本设计是以AT89C51单片机为核心,由AD590集成温度传感器测量冷端温度T0,由热电偶测量热端温度T。
该热电偶采用K型热电偶(镍铬-镍硅热电偶)。
使用+12V和+5V电源。
采用4位共阴极LED显示。
考虑到实际中有时需要对测温的上下限值进行修改,或者是在测温之初检验该设备是否能够正常显示或运行,故在设计中可以根据需要加入键盘。
在工业测量中,被测对象所处环境往往十分恶劣,常存在电场、磁场、噪声等干扰,使采样值偏离真实值。
所以,在软件设计中,还需要一组滤波程序,对多次采样信号构成的数据系列进行平滑加工,以提高其有用信号在采样值中所占比例,减少乃至消除各种干扰及噪音,以保证系统工作的可靠性。
本设计采用分段直线拟合方法,既节省大量存储器,又有很高的测量精度。
2整体方案设计
本设计的整体思路是:
用热电偶测量热端的温度T,并进行I/V转换和线性放大,由另一个设备测量冷端温度T0并进行温度补偿,再进行I/V转换和线性放大。
然后把从热端和冷端得到的信号分时进行A/D转换,再送到单片机进行运算处理,从而得到热电偶测到的实际温度值,最终在LED数码管上显示。
2.1方案论证
设计中采用了两个方案,具体的方案见方案一和方案二。
方案一:
集成热电偶信号转换器MAX667方案
MAXIM公司新开发出一种K型热电偶信号转换器(IC)MAX6675,该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体,直接输出温度的数字信号,使温度测量的前端电路变得十分简单。
该方案所用到的元器件很少,只有几个器件,所以设计方案简单,成本较低。
方案只有四个部分,即热电偶部分,MAX6675芯片部分,单片机部分和LED显示部分。
从左至右清楚明了,具体方案框图见图2.1。
图2.1测温整体方案一框图
方案二:
热电偶冷热端分测方案
本方案由AD590集成温度传感器测量冷端温度T0,由热电偶测量热端温度T。
它们分别经过I/V转换和线性放大,分时进行A/D转换,转换后的数字信号送入AT89C51单片机,经单片机运算处理,转换成ROM地址,在通过二次查表法计算出实际温度值。
此值送4位共阴极LED数码管显示。
图2.2测温整体方案二框图
2.2方案比较
由于方案一涉及的电路比较简单,但该方案采用的芯片集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体,这使得该信号的放大,冷端补偿,和数模转换的可调性很差,无法适应各种各样不同的复杂的温度测量环境,难以进行温度温差的调节。
而方案二采用模块化设计把各个模块分离开,使得设计的测温系统适应性很强,可以随时改变各个模块的一些硬件的参数和各个结构而适应不同的复杂测温环境,并且测量的精度也高于方案一。
因此设计采用了方案二。
3单元模块设计
为使该模块化热电偶测温系统具有更加方便和灵活性,我们对系统的硬件做了精心设计。
硬件电路包括冷端采集和补偿电路模块、热端放大电路模块、单片机模块,A/D转换模块,LED显示模块等。
3.1冷端采集和补偿电路模块
冷端采集和补偿电路运用AD590温度传感器采集冷端温度,并连接补偿电路进行温度补偿,如图3.1
图3.1冷端采集和补偿电路
3.1.1AD590介绍
AD590是美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器,它兼有集成恒流源和温度传感器的特点,具有测量温度误差小,动态阻抗高,响应速度快,传输距离远,体积小,微功耗等优点,适合远距离测温,控温,不需要线性校准的特点。
1、流过器件的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:
(3.1)
式中:
—流过器件(AD590)的电流,单位为A;
T—热力学温度,单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃~+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V~30V。
电源电压可在4V~6V范围变化,电流变化1A,相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710M。
5、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线性误差为±
0.3℃。
其性能特点:
AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。
其内部电路见图3.1所示。
芯片中的R1和R2是采用激光修正的校准电阻,它能使+25℃下的输出电流恰好微298.2uA。
首先有晶体管VT8和VT11产生与热力学温度成正比的电压信号。
,在通过R5,R6把电压信号转换微电流信号,为保证有良好的温度特性,R5,R6的电阻温度系数应非常小,这里采用激光修正的SiCr薄模电阻,其电阻温度系数低,VT10的集电极电流能够跟随VT9和VT11的集电极电流的变化,使总电流达到额定值。
R5和R6也需要在25℃的标准温度下校准。
AD590等效于一个高阻抗的恒流源,其输出阻抗>
10M,能大大减小因电源电压波动而产生的测量误差,例如,当电源电压从5V变化到10V时,所引起的电流最大变化量仅为1uA,等价于1℃的测温误差。
AD590的工作电压为+4~30V,测温范围是-55~+150℃,对应于热力学温度T每变化1K,输出电流就变化1uA.其输出电流Io(uA)与热力学温度T(K)严格成正比。
电流温度系数K1的表达式为:
K1=㏑8(3.2)
图3.1AD590内部电路
因此,输出电流的微安数就代表着被测量温度的热力学温度值。
热力学温标(K)与摄氏温标(℃)的换算关系如式3所示:
T(℃)=T(K)-273.15(3.3)
3.1.2冷端采集和补偿电路分析
AD590只需单电源工作,抗干扰能力强,要求的功率很低。
输出电流值是以绝对温度零度(-273℃)为基准,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流Iout=(273+25)=298μA。
接着补偿电路进行工作。
1、AD590的输出电流I=(273+T)μA(T为摄氏温度),因此测量的电压V为(273+T)μA×
10K=(2.73+T/100)V。
为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来,我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。
2、由于一般电源供应教多器件之后,电源是带杂波的,因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。
3、接下来我们使用差动放大器其输出Vo为(100K/10K)×
(V2-V1)=T/10,
如果现在为摄氏28℃,输出电压为2.8V,输出电压接AD转换器,那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。
注意事项:
1、Vo的值为Io乘上10K,以室温25℃而言,输出值为10K×
298μA=2.98V
2、测量Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。
3.2热端放大电路模块
图3.2热端放大调理电路
热电偶的热端放大电路如图3.2所示。
热电偶的热端接入到INP口,然后进行一系列的调试放大。
本系统应用K型热电偶,导热系数测定过程中通常温度范围小于100℃,为保证测量精度,热电偶线性化软件我们每隔5℃分一段,并且精确到小数点后两位。
硬件调理电路截取K型热电偶100℃的热电势4.095mv作为输入满量程,放大到5V,提供给AD转换器,要求调理电路放大倍数达1200多倍,为此我们选取高精度运算放大器MC33078,构成两级运算放大器,每级放大倍数小于40倍,。
MC33078除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外,还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点,利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移,所以常被应用于热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的电路中。
3.3A/D转换器ADC0809
ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型A/D转换器,由于价格适中,与单片机的接口、软件操作均比较简单,目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。
片内由8路模拟多路开关、地址锁存器与译码器、8为A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。
如图3.3是本设计中ADC0809的部分连接图。
图3.3ADC0809引脚图
引脚功能如下:
1、2-8—2-1八根数据三态输出端,IN0-IN7为八根单片模拟量输入端;
2、A1-A3:
三根地址译码输入端,以选择8路模拟量输入通道中的一路;
3、五根转换逻辑控制信号端:
START:
A/D转换启动信号输入端,可用来作片选信号端;
EOC:
转换结束信号输入端,可用作中断申请信号;
ALE:
地址所存允许输入端,用作多路开关的使能信号
O.E:
输出允许输入端,用来打开三态数据输出锁存器,以输出当前的A/D转换数
CLK:
时钟信号输入端,用它产生ADC0809的内部各种定时信号。
4、四根供电输入端:
ref(+)正参考电压输入端;
ref(-)负参考电压输入端;
VCC为供电电压输入端,一般需要+5V;
GND为接地端。
ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号,使用模拟开关切换。
在某一时刻,模拟开关只能与一路模拟量通道接通,对该通道进行A/D转换。
当地址所存信号ALE为高电平时,A1-A3三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中,经过译码器译码后选中某一通道。
当ALE=0时,地址锁存器处于锁存状态,模拟开关始终与刚才
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