一、熱電偶傳感器測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用
下面介紹一個(gè)典型的單片機(jī)控制的測(cè)溫系統(tǒng)，它由三大部分組成：(1)測(cè)量放大電路；(2)A/D轉(zhuǎn)換電路；(3)顯示電路。它廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、化工廠的測(cè)溫及溫度控制系統(tǒng)中。
1、硬件設(shè)計(jì)
(1) 熱電偶溫度傳感器
本系統(tǒng)使用鎳鉻—鎳硅熱電偶，被測(cè)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(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)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(wú)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(shì)卻隨著冷端溫度的升高而減小。Uab與熱電勢(shì)減小量相等，Uab與熱電勢(shì)迭加后輸出電勢(shì)則保持不變，從而達(dá)到了冷端補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)完成。
(2) 測(cè)量放大電路
實(shí)際電路中，從熱電偶輸出的信號(hào)最多不過(guò)幾十毫伏(<30mV)，且其中包含工頻、靜電和磁偶合等共模干擾，對(duì)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(cè)量放大電路。測(cè)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(hào)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(cè)量放大器的穩(wěn)定性好。由三運(yùn)放組成測(cè)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(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測(cè)信號(hào)直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。測(cè)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(duì)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(duì)微小的差模電壓很敏感，適宜于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW是用來(lái)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(hào)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(guò)測(cè)量放大器放大后的電壓信號(hào)，其電壓范圍為0～5V，此信號(hào)為模擬信號(hào)，計(jì)算機(jī)無(wú)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(chǎng)合，如用于稱重測(cè)壓力、測(cè)溫度等各種傳感器信號(hào)的高精度測(cè)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(jiǎn)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(hào)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(wú)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(duì)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×?xí)r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(hào)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(lái)的微弱信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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(hào)，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(jiǎn)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(mén)，它是一個(gè)集電極開(kāi)路門(mén)，當(dāng)輸入為“0”時(shí)輸出為“0”；輸入為“1”時(shí)輸出斷開(kāi)，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(yáng)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(kāi)銷。硬件原理如圖5.3.1所示。
圖5.3.1 熱電偶傳感器測(cè)溫系統(tǒng)硬件原理圖
2、軟件設(shè)計(jì)
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(gè)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(gè)結(jié)果排序，取中間的數(shù)作為選用的測(cè)量值。此模塊可以避免因電路偶然波動(dòng)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(bǔ)償熱電偶冷端器25℃時(shí)的量值，相當(dāng)于儀表中的零點(diǎn)調(diào)到25℃，稱此模塊為零點(diǎn)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)(0～655℃)，表格中電壓值與溫度值一一對(duì)應(yīng)，表格中的電壓值是熱電偶輸出信號(hào)乘以放大倍數(shù)(150)以后的結(jié)果，變成十六進(jìn)制數(shù)進(jìn)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(jìn)制數(shù)還需進(jìn)行二十進(jìn)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(duì)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(jìn)行對(duì)半比較，經(jīng)過(guò)若干次后，直到找到數(shù)據(jù)為止，如果找不到，也就是說(shuō)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(gè)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(gè)查表模塊就完成了從輸入到輸出的變化。
DIR：采用動(dòng)態(tài)3位顯示，顯示時(shí)間由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，各模塊設(shè)計(jì)完成后要進(jìn)行測(cè)試，盡量使其內(nèi)聚性強(qiáng)、模塊間耦合性強(qiáng)，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(fèi)用低廉。人工預(yù)設(shè)加熱溫度值后，控制器能準(zhǔn)確地把溫度控制在設(shè)定值的±1℃，現(xiàn)場(chǎng)使用方便。其主要性能指標(biāo)為：溫度可調(diào)范圍在10～50℃之間；溫度精度可精確到0.25℃；當(dāng)環(huán)境中的氧含量低于某一值時(shí)，控制電路自動(dòng)關(guān)閉加熱爐，等待人工處理。
1、硬件設(shè)計(jì)
該控制器是以89Ｃ51為控制核心，以電磁閥為驅(qū)動(dòng)部件，以及溫度采樣、熱電偶信號(hào)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(jī)，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(gè)最小系統(tǒng)。采樣10位數(shù)字溫度傳感器，經(jīng)ＣＰＵ處理后，實(shí)時(shí)地顯示在液晶屏上，熱電偶電路時(shí)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(shè)點(diǎn)比較器、故障排隊(duì)計(jì)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(shí)約為400μｓ，精度可達(dá)0 25。
ＡＤ7416的接口方式為Ｉ2Ｃ/ＳＭＢＵＳ，溫度測(cè)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(jiǎn)便有效的移動(dòng)平均值法、中值法、低通濾波法等進(jìn)行軟件濾波。實(shí)時(shí)采樣和計(jì)算平均值，以平均值作為實(shí)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(shè)計(jì)模式，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)方案，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)了標(biāo)度變換。
（2）熱電偶反饋電路
因?yàn)榧訜崞魇褂靡夯瘹鉃槿剂?，加熱過(guò)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(guò)程中要時(shí)刻監(jiān)視液化氣燃燒是否充分。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)氧含量正常時(shí)，燃?xì)鉄綗犭娕驾敵龅碾妷涸?0ｍＶ以上，而當(dāng)氧含量低于某一值時(shí)，熱電偶輸出的電壓會(huì)在12ｍＶ以下。通過(guò)如圖5.3.4所示電路，把熱電偶電壓接入電路，以檢測(cè)電壓超過(guò)18ｍＶ時(shí)，電路輸出端輸出高電平，電壓低于13ｍＶ時(shí)，電路輸出端輸出低電平。
（3）其他外圍驅(qū)動(dòng)電路
其功能主要是把Ｐ1口輸出的信號(hào)接入7407，由7407驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的輸入端，繼電器的輸出端驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁閥和一個(gè)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(yīng)附有鍵盤(pán)，并能完成溫度的增減，恒溫爐的啟動(dòng)與停止，另外還設(shè)有設(shè)置鍵，用于加熱過(guò)程中重新設(shè)置溫度，當(dāng)恒溫爐啟動(dòng)后，液晶屏即實(shí)時(shí)地顯示所測(cè)量的溫度值，出現(xiàn)異常情況顯示故障狀態(tài)。
2、軟件設(shè)計(jì)
軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件主要完成如下任務(wù)：掃描鍵盤(pán)并按要求調(diào)出設(shè)定值或輸入新的設(shè)定值，并判斷是否啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)首先打開(kāi)加熱閥供氣，開(kāi)啟電子打火器，點(diǎn)火成功后，打開(kāi)主出氣閥，然后監(jiān)視溫度的變化，當(dāng)溫度超出設(shè)定溫度值1℃時(shí)，關(guān)閉主出氣閥，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度1℃時(shí)，打開(kāi)主出氣閥。若點(diǎn)火不成功，則每隔15ｓ重復(fù)上述啟動(dòng)過(guò)程，若3次點(diǎn)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(dòng)后，程序時(shí)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(yù)。
圖5.3.3 采樣電路 
圖5.3.4 熱電偶反饋電路
（轉(zhuǎn)載）
