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熱電偶溫度表測(cè)量電路的設(shè)計(jì)公開

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熱電偶溫度表測(cè)量電路的設(shè)計(jì)公開

熱電偶溫度表測(cè)量電路的設(shè)計(jì)公開
熱電偶溫度表由配套熱電偶、外殼和核心測(cè)量電路等組成，其核心電路由三大部分組成：(1)測(cè)量放大電路；(2)A/D轉(zhuǎn)換電路；(3)顯示電路。一般用單片機(jī)作為信號(hào)處理和控制的核心，圖10.6.1所示為市場(chǎng)上常見的熱電偶測(cè)溫表。若對(duì)電路稍作改進(jìn)也可變成溫度控制器或兼具溫度控制與報(bào)警雙重功能。

溫度表硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 熱電偶溫度傳感器及其冷端補(bǔ)償方法的選擇

可根據(jù)測(cè)量溫度高低來選擇，盡量選用金屬型熱電偶，以降低成本。如鐵—康銅型熱電偶，被測(cè)溫度范圍可達(dá)-100～1 100℃，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）、R_cu（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。R_cu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，R_s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=R_cu，a、b端無輸出。當(dāng)冷端溫度偏離20℃時(shí)，例如升高時(shí)，R_cu增大，而熱電偶的熱電勢(shì)卻隨著冷端溫度的升高而減小。U_ab與熱電勢(shì)減小量相等，U_ab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。

1.2 測(cè)量放大電路及其芯片

實(shí)際電路中，從熱電偶輸出的信號(hào)*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(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：A_V=V₀/（V₂-V₁），A_V=R_f/R[1+(R_f1+R_f2)/R_W]。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)距離傳輸過來的信號(hào)，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。R_W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(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αV_IOS和輸入失調(diào)電流溫漂αI_IOS都很小，OP-07采用超高工藝和“齊納微調(diào)”技術(shù)，使其V_IOS、I_IOS、αV_IOS和αI_IOS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R_W進(jìn)行調(diào)整。A₃也采用OP-07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。

1.3 A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換電路及其芯片

經(jīng)過測(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(**到1/2¹²=1/4096)；(2)低噪聲(典型值為15μV_P-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*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R_VNHOLD(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)。

1.4 ICL7109與89C51接口電路

此處采用直接接口方式，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×時(shí)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C_INT大一倍，以減小噪聲，C_AZ的值越大，噪聲越小，如果C_INT選為0.15μF，則C_AZ=2C_INT=0.33μF。

由傳感器傳來的微弱信號(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C_INT選大一些，使C_INT=2C_AZ，選C_INT=0.33μF，C_AZ=0.15μF，通常C_INT和C_AZ可在0.1μF至1μF間選擇。積分電阻R_INT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)，R_INT=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。

1.5 顯示電路及其驅(qū)動(dòng)芯片

采用3位半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，它是一個(gè)集電極開路門，當(dāng)輸入為“0”時(shí)輸出為“0”；輸入為“1”時(shí)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(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)省硬件開銷。

硬件原理電路如圖1和2所示，圖1為熱電偶信號(hào)的采集及基本放大電路，圖2為單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路部分。
圖1 熱電偶信號(hào)的采集及基本放大電路

圖2 單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路部分原理圖

1.6 所用元器件清單
本設(shè)計(jì)所采用的主要元器件見下表1所示，型號(hào)也可用替代的，只要性能相近就行

序號(hào)

名稱

型號(hào)規(guī)格

數(shù)量

序號(hào)

名稱

型號(hào)規(guī)格

數(shù)量

1

熱電偶傳感器

SJ-106

1

13

碳膜電阻

15kΩ

2

2

單片機(jī)

89C51

1

14

20kΩ

1

3

液晶顯示屏

EDS803

1

15

30kΩ

1

4

儀表放大芯片

OP-07

3

16

200kΩ

1

5

A/D轉(zhuǎn)換芯片

ICL7109

1

17

電位器

22kΩ

3

6

晶振

SMD6*3.5

1

18

5.1kΩ

1

7

液晶驅(qū)動(dòng)芯片

7407TTL

2

19

陶瓷電容

0.33

3

8

時(shí)鐘芯片

NE555

1

20

0.1

1

9

碳膜電阻

200Ω

12

21

22

1

10

1kΩ

6

22

33pF

2

11

2kΩ

1

23

電解電容

10

2

12

10kΩ

4

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序號(hào)	名稱	型號(hào)規(guī)格	數(shù)量	序號(hào)	名稱	型號(hào)規(guī)格	數(shù)量
1	熱電偶傳感器	SJ-106	1	13	碳膜電阻	15kΩ	2
2	單片機(jī)	89C51	1	14		20kΩ	1
3	液晶顯示屏	EDS803	1	15		30kΩ	1
4	儀表放大芯片	OP-07	3	16		200kΩ	1
5	A/D轉(zhuǎn)換芯片	ICL7109	1	17	電位器	22kΩ	3
6	晶振	SMD6*3.5	1	18	電位器	5.1kΩ	1
7	液晶驅(qū)動(dòng)芯片	7407TTL	2	19	陶瓷電容	0.33	3
8	時(shí)鐘芯片	NE555	1	20		0.1	1
9	碳膜電阻	200Ω	12	21		22	1
10		1kΩ	6	22		33pF	2
11		2kΩ	1	23	電解電容	10	2
12		10kΩ	4		電解電容

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