工業(yè)用便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計設計
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在冶金、石油、化工、機械制造和國防等行業(yè)中，往往需要測量－200℃～1000℃氣體、液體等環(huán)境中的溫度。以前一般采用玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、熱電偶、熱電阻和非接觸式溫度計等進行溫度測量。其中熱電偶的溫度測量范圍較寬，它無需使用驅(qū)動電源即可直接產(chǎn)生電壓（溫差電勢）信號，該信號既可用直流測量儀器（如電位差計、數(shù)字電壓表、毫伏計等）讀取，以通過熱電偶溫度特性分度表查出對應的溫度；也可以用線性校正電路將小信號電壓放大后，通過顯示儀表的刻度讀數(shù)。在某些輸油、輸氣管道應用中，往往要求對溫度進行長時間監(jiān)測，且要求能夠快速準確地讀數(shù)。此時，上述各類溫度計則難以勝任。而如果將熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由單片機進行數(shù)據(jù)處理，并通過液晶來顯示其溫度結(jié)果，這種方法反應迅速，測量精度高，功耗小，顯示直觀。因此，由熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機和液晶模塊組成的數(shù)字式低功耗高精度溫度計可以代替各種機械式溫度計來完成特殊情況下的溫度測控工作，且便于實現(xiàn)小型化設計。
圖1 便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計原理圖
在測量過程中，熱電偶產(chǎn)生的一般是相對于冷端的溫差電動勢。工業(yè)標準一般規(guī)定冷端的溫度為0℃。而在實際使用中，將冷端放入冰水混合物中并不方便。如果本地溫度不為0℃，則溫差電動勢就可能偏大或偏小。因此，實際電路通常需要對溫差電動勢進行溫度補償。本系統(tǒng)采用AD7416來測量本地溫度，并根據(jù)分度表計算出對應的補償電壓。其真實溫度的溫差電動勢等于測得的電動勢與補償電壓之差。
該便攜式低功耗、高精度數(shù)字溫度計的整個系統(tǒng)由四部分組成：第一是熱電偶；第二是AD7705、AD589組成的數(shù)據(jù)采集電路，其中A／D轉(zhuǎn)換電路的作用是將熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；第三部分是AD7416，由它可測量冷端溫度，并由此計算出補償電壓；第四部分是MSP430F413和六位筆段式液晶顯示器組成的控制和顯示電路。具體的電路原理圖如圖1所示。為了達到低功耗高精度之目的，本設計方案中所選的芯片都具有低功耗模式，可以在測量間隙工作于省電模式。下面對各部分電路加以具體說明。
2.1 熱電偶
本設計中選用K型或J型鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶。它們比較適用于氧化及弱還原性環(huán)境中的測溫系統(tǒng)，其測溫范圍為－200℃～1000℃，熱電動勢范圍為－9.835mV～76.358mV，由于這些熱電偶具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低廉等優(yōu)點，因而非常適合于便攜式測溫儀表的使用。圖2為鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶的熱電動勢－溫度曲線，經(jīng)過分析，其準確度可達±0.1℃，在－150℃時，其靈敏度可達38μV／℃。
圖2 鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶熱電動勢－溫度曲線
在這一部分電路中，AD7705是用于低頻測量系統(tǒng)的前端器件，它分辨率高，且有節(jié)電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片內(nèi)還有數(shù)字濾波電路、校準電路和補償電路，因而能更好地保證高精度的實現(xiàn)溫度測量。
AD7705使用2.7V～3.3V單電源，它有兩個模擬差分輸入通道，在電源為3V、參考電壓為1.235V的情況下，雙極性輸入信號的最大幅度范圍為0～±10mV（Gain＝128）到0～±1.235V（Gain＝1）。另外，AD7705還可直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號以進行A／D轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號。它采用Σ－Δ技術(shù)來實現(xiàn)16位A／D轉(zhuǎn)換。采樣速率由MCLKIN端的主時鐘和放大器的可變增益來決定。實際上，AD7705同時可以對輸入信號進行片內(nèi)放大、調(diào)制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理。其數(shù)字濾波器的阻帶可編程控制，以便調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)更新速率。
此濾波器的響應類似于中值濾波器的響應，但下降沿更為陡峭。由于數(shù)字濾波器的輸出速率和濾波器幅頻響應的第一個凹點頻率一致。因此，當輸出速率為25Hz時，濾波器第一個凹點也為25Hz。另外，（sinx／x）3濾波器也能抑制第一個凹點頻率的諧波成分，抑制量大于40dB。當FS0和FS1分別為0，1時，其輸出速率和第一凹點頻率為25Hz，－3dB點時為6.55Hz。如果被測環(huán)境溫度變化緩慢，那么在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，該電路便能有效抑制大于6.55Hz的干擾信號，其中包括50Hz的干擾信號。 數(shù)字濾波器相關(guān)文章:數(shù)字濾波器原理 網(wǎng)線測試儀相關(guān)文章:網(wǎng)線測試儀原理 熱電偶相關(guān)文章:熱電偶原理
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