工業(yè)便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)(1)

在冶金、石油、化工、機(jī)械制造、國防等行業(yè)中，經(jīng)常需要測量環(huán)境溫度在-200℃ ~ 1000℃之間的氣體、液體等。以前，玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力型溫度計(jì)、熱電偶、熱阻和非接觸型溫度計(jì)通常用于溫度測量。其中，熱電偶測溫范圍廣。它可以直接產(chǎn)生電壓(熱電位)信號，而無需使用驅(qū)動(dòng)電源。信號可由DC測量儀器(如電位計(jì)/[/k11/)電壓表、毫伏表等讀取。)通過熱電偶溫度特性指數(shù)表找出相應(yīng)的溫度。也可以使用線性校正電路放大小信號電壓并顯示儀表的刻度讀數(shù)。在一些石油和天然氣輸送管道應(yīng)用中，經(jīng)常需要長時(shí)間監(jiān)控溫度，并且能夠快速準(zhǔn)確地讀取。此時(shí)，上述類型溫度計(jì)無法勝任。然而，如果將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)力轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，則單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過液晶顯示其溫度結(jié)果，這種方法具有響應(yīng)速度快、測量精度高、功耗低、顯示直觀的優(yōu)點(diǎn)。因此，由熱電偶、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和液晶模塊組成的數(shù)字型低功耗高精度溫度計(jì)可以替代各種機(jī)械類型溫度計(jì)完成特殊情況下的溫度測控工作，便于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。

圖1便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)原理圖

2.硬件電路設(shè)計(jì)

在測量過程中，熱電偶通常相對于冷端產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定冷端溫度為0℃。然而，在實(shí)際使用中，將冷端放入冰水混合物是不方便的。如果局部溫度不是0℃，熱電電動(dòng)勢可能更大或更小。因此，實(shí)際電路通常需要熱電電動(dòng)勢的溫度補(bǔ)償。本系統(tǒng)利用AD7416測量局部溫度，并根據(jù)分度表計(jì)算相應(yīng)的補(bǔ)償電壓。其實(shí)際溫度的熱電電動(dòng)勢等于測得的電動(dòng)勢和補(bǔ)償電壓之差。

便攜式低功耗、高精度數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)由四部分組成:*是熱電偶；二是由AD7705和AD589組成的數(shù)據(jù)采集電路，其中a/d轉(zhuǎn)換電路的功能是將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；第三部分是AD7416，可以測量冷端溫度，計(jì)算補(bǔ)償電壓。第四部分是由MSP430F413和六位筆段液晶顯示器組成的控制和顯示電路。具體電路圖如圖1所示。為了達(dá)到低功耗、高精度的目標(biāo)，本設(shè)計(jì)方案中選擇的所有芯片都具有低功耗模式，并能在測量間隙時(shí)以省電模式工作。電路的每個(gè)部分將在下面詳細(xì)描述。

2.1 熱電偶

在這種設(shè)計(jì)中，鉀型或J型鎳-鉻-銅-鎳(康銅)熱電偶。它們更適合氧化和弱還原環(huán)境中的溫度測量系統(tǒng)。溫度測量范圍為-200℃ ~ 1000℃，熱電動(dòng)勢范圍為-9.835毫伏~ 76.358毫伏。由于這些熱電偶具有穩(wěn)定性好、靈敏度高、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，非常適合便攜式溫度測量儀器的使用。圖2是鎳-鉻-銅-鎳(康銅)熱電偶的熱電力-溫度曲線。經(jīng)分析，其精度可達(dá)& plusmn在0.1℃和-150℃下，靈敏度可達(dá)38 μ V/℃。

圖2鎳鉻銅鎳(康銅)熱電偶熱電勢-溫度曲線

2.2數(shù)據(jù)采集電路

在這部分電路中，AD7705是低頻測量系統(tǒng)的前端器件。它具有高分辨率和省電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705還內(nèi)置數(shù)字濾波電路、校準(zhǔn)電路和補(bǔ)償電路，可以更好地保證高精度溫度測量。

ad7705采用2.7V~3.3V單電源，具有兩個(gè)模擬差分輸入通道。在3V電源和1.235伏參考電壓條件下，雙極輸入信號的較大幅度范圍為0 ~ & plusmn10mv(增益= 128)至0 ~ & plusmn1.235伏(增益=1).此外，AD7705還可以直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出串行數(shù)字信號。采用σ -δ技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣速率由MCLKIN的主時(shí)鐘和放大器的可變增益決定。事實(shí)上，AD7705可以同時(shí)對輸入信號進(jìn)行片內(nèi)放大、調(diào)制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波。其數(shù)字濾波器的阻帶可編程，以調(diào)整濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)的更新速率。

該濾波器的響應(yīng)類似于中值濾波器，但下降沿更陡。因?yàn)閿?shù)字濾波器的輸出速率與濾波器幅頻響應(yīng)的*凹坑頻率一致。因此，當(dāng)輸出速率為25Hz時(shí)，濾波器的凹點(diǎn)也為25Hz。此外，(sinx/x) 3濾波器還可以將* pit頻率的諧波成分抑制40dB以上。當(dāng)FS0和FS1分別為0和1時(shí)，輸出速率和*凹坑頻率在- 3dB點(diǎn)分別為25Hz和6.55Hz。如果測得的環(huán)境溫度變化緩慢，電路可以有效抑制模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中大于6.55赫茲的干擾信號，包括50赫茲的干擾信號。

當(dāng)AD7705的工作電壓為3V，片內(nèi)可編程放大器的增益設(shè)置為1時(shí)，a/d精度為16位，zui小分辨率電壓為37.69μ v (1.235v × 2/65536)。而熱電偶每1℃(-150℃～1000℃)輸出溫差電動(dòng)勢從38 μ v變化到81 μ v/c，大于AD7705的zui小分辨率電壓。因此，系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到1℃，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)測量要求。由于AD7705可以直接對-0.6175 v至0.6175 v的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)熱電偶測量溫度低于0℃且熱電勢低于0V時(shí)，無需額外電路即可正常工作。

AD589是AD7705的基準(zhǔn)電壓源。AD589是一款廉價(jià)的雙端器件，可以提供帶溫度補(bǔ)償?shù)?.235伏帶隙基準(zhǔn)電壓輸出。其片內(nèi)元件匹配和熱跟蹤特性使AD589高度穩(wěn)定。此外，AD589的輸出阻抗比傳統(tǒng)的低溫系數(shù)齊納二極管低10倍，因此即使負(fù)載發(fā)生變化，電路也可以保持高精度，而無需外部器件。

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