于劍超，董恩生，李清亮

(1.吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130012;2.空軍航空大學(xué)飛控系，吉林長春130022)

0 引言

熱電偶傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和測溫范圍寬等特點(diǎn)，在溫度測量中應(yīng)用極為廣泛。熱電偶傳感器輸出的熱電勢信號小，通常為毫伏級，不適合遠(yuǎn)距離傳輸;熱電偶傳感器需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，需要配接補(bǔ)償電橋或冷端補(bǔ)償器等裝置［1］，使用不方便;再有，熱電偶輸出的是模擬信號，因此不便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字式測量。本文提出一種基于單片機(jī)的數(shù)字式熱電偶傳感器，實(shí)現(xiàn)方式是:首先對熱電偶輸出的熱電勢信號進(jìn)行放大，然后由單片機(jī)對放大后的信號進(jìn)行測量;同時(shí)利用單片機(jī)對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行測量，并根據(jù)冷端溫度對熱電偶自動(dòng)進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償;測量結(jié)果經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為RS232 串行信號向外輸出。根據(jù)此方法設(shè)計(jì)的數(shù)字式熱電偶傳感器具有工作可靠、傳輸距離遠(yuǎn)、便于使用、價(jià)格低廉、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 測量原理

由于熱電偶傳感器產(chǎn)生的熱電勢為毫伏級微弱信號，為了避免遠(yuǎn)距離傳輸對信號造成干擾，在熱電偶的輸出端利用儀表放大器對該信號進(jìn)行放大，并將放大后的信號送到單片機(jī)內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換器，由單片機(jī)對熱電勢進(jìn)行采集，獲得熱端溫度為T、冷端溫度為T0時(shí)的熱電勢EAB(T，T0)。當(dāng)T0不等于0℃時(shí)，根據(jù)EAB(T，T0)查熱電偶分度表，所得到的熱端溫度T 存在溫度誤差，因此需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。所以單片機(jī)首先通過其內(nèi)置的溫度傳感器獲得環(huán)境溫度即熱電偶冷端溫度T0，經(jīng)查熱電偶分度表得到對應(yīng)參考溫度為0℃時(shí)的熱電勢EAB(T0，0)，根據(jù)熱電偶中間溫度定律EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)，可以獲得熱端溫度為T，冷端溫度為0℃時(shí)的熱電勢EAB(T，0)，再通過查分度表，便可得到所測的熱端溫度T，從而實(shí)現(xiàn)了冷端溫度補(bǔ)償［2］。最后單片機(jī)將所測溫度T 經(jīng)過串行通信接口轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并經(jīng)過串行通信芯片轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232 串行通信格式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

2 硬件設(shè)計(jì)

熱電偶傳感器測量電路由單片機(jī)、毫伏信號放大電路、串行通信接口電路和電源電路組成，如圖1所示。

單片機(jī)(U3)采用的是C8051F352 型號單片機(jī)。該單片機(jī)具有8K 字節(jié)程序存儲器，768 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，8 路16 位A/D 轉(zhuǎn)換器，1 個(gè)片內(nèi)溫度傳感器，1個(gè)高精度的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，1 個(gè)高精度可編程的24.5 MHz 內(nèi)部振蕩器和1 個(gè)異步串行通信接口［3］。片內(nèi)溫度傳感器用于單片機(jī)芯片本身溫度的測量，而單片機(jī)芯片溫度與環(huán)境溫度近似相等，因此可用于熱電偶冷端溫度的測量。為了提高測量精度，A/D 轉(zhuǎn)換器工作在差分方式。放大后的熱電勢信號接到單片機(jī)的AIN0.0 和AIN0.1 端，由A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。片內(nèi)溫度傳感器在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)多路轉(zhuǎn)換器與A/D 轉(zhuǎn)換器連接，也由A/D 轉(zhuǎn)換器對溫度信號進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換。

毫伏信號放大電路由IAN118 儀表放大器U1、可調(diào)電位器R1及一些電阻和電容組成。IAN118 是一種低功耗，高精確度儀表放大器。通過電位器R1，可對放大器的增益在1 ～10000 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整［4］。放大器的增益G 可用公式表示為

式中:R1為電位器的阻值。

由于不同型號的熱電偶輸出信號范圍不同，所以可通過調(diào)整電阻值R1，使放大器的輸出信號符合單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換器的要求。另外還需要對毫伏信號放大電路進(jìn)行標(biāo)定，以確定放大系數(shù)。

串行通信接口電路由MAX232 芯片(U4)，電容C13，C14，C15，C16及電阻R5，R6組成。單片機(jī)P0.4和P0.5腳分別為異步串行通訊接口的發(fā)送端和接收端，與MAX232 芯片對應(yīng)的輸入和輸出端直接相連［5］。單片機(jī)發(fā)出的異步串行通信數(shù)據(jù)，經(jīng)過MAX232 芯片后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232 串行通信格式，信號最大傳輸距離可達(dá)15 m，可以滿足一般傳輸距離的需求［6］。

電阻R3和電容C5，C11構(gòu)成一個(gè)阻容濾波器，用來對AS117 穩(wěn)壓塊(U2)的輸出電壓進(jìn)行濾波，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電源VDD，作為數(shù)字電路的工作電源。同理電阻R4和電容C6，C12構(gòu)成另外一個(gè)阻容濾波器，用來產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電源V+，作為模擬電路的工作電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖1 熱電偶傳感器測量電路

圖2 單片機(jī)程序

軟件功能框圖如圖2所示。單片機(jī)首先執(zhí)行初始化程序，對單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、I/O口輸出功能、A/D 轉(zhuǎn)換采樣通道和采樣頻率、異步串行通信接口的通信方式和通信速率等進(jìn)行設(shè)置;然后運(yùn)行熱電勢信號采集程序，采集放大后的熱電勢，再除以毫伏信號放大電路的放大系數(shù)，得到熱電偶輸出的熱電勢EAB(T，T0);運(yùn)行冷端溫度采集程序，獲得冷端溫度T0;然后進(jìn)行查表計(jì)算，對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，得到準(zhǔn)確的測量溫度;最后通過串行接口發(fā)送所測溫度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該數(shù)字式熱電偶傳感器的測量誤差分為兩部分:一部分是熱電偶本身所具有的誤差，這取決于所選熱電偶的級別和型號;另外一部分是測量電路所帶來的誤差，包括毫伏信號放大電路、AD 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)以及冷端溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)等所產(chǎn)生的誤差。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的測量電路的測量精度，對一塊適用于S 型熱電偶的測量電路進(jìn)行了測試。具體方法是:利用溫度計(jì)測量出當(dāng)時(shí)的熱電偶冷端溫度T0，并根據(jù)S 型熱電偶分度表查出對應(yīng)的熱電勢EAB(T0，0)，再根據(jù)熱電偶中間溫度定律EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)，計(jì)算出EAB(T，T0)。利用一臺高精度毫伏發(fā)生器，對測量電路發(fā)送一定溫度T 對應(yīng)的熱電勢EAB(T，T0)，然后利用一臺PC 機(jī)接收測量電路發(fā)出的溫度數(shù)據(jù)T'。對比T 和T '，即可得到測量電路產(chǎn)生的測量誤差。實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)表明，該測量電路在給定溫度點(diǎn)上產(chǎn)生的測量誤差均小于0.14℃，而II級S 型熱電偶的最大允許誤差為±0.25% t(t 為測量溫度)，例如，所測溫度為600℃時(shí)產(chǎn)生的誤差為±1.5℃，可見該測量電路所產(chǎn)生的測量誤差可完全忽略不計(jì)。

表1 測量數(shù)據(jù)(冷端溫度T0=20℃，EAB(T0，0)=0.113 mV)

5 結(jié)束語

本文所介紹的熱電偶測量電路，由于具有冷端溫度補(bǔ)償功能，不需額外冷端溫度補(bǔ)償裝置，使用極為方便。熱電偶輸出的熱電勢信號，由測量電路直接測量，無需考慮連接電纜對信號傳輸造成的影響。測量結(jié)果以RS232 串行信號方式進(jìn)行傳輸，解決了信號傳輸過程中抗干擾問題，提高了信號的傳輸距離。測量電路提供的串行通信接口可方便地經(jīng)RS232 接口，或經(jīng)過RS232 轉(zhuǎn)USB 接口與任何PC 機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)字顯示。任何型號的熱電偶傳感器配備上與之匹配的測量電路，即實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)字輸出，所以這種數(shù)字式熱電偶傳感器具有很好的應(yīng)用前景。

［1］梁森.自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］陶紅艷.傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［3］鮑可進(jìn).C8051F 單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］BURR-BROWN.INA118 儀表放大器使用說明書［Z］.1998.

［5］Maxim Integrated Products.MAX232 Multichannel RS-232 Drivers/Receivers Instruction［Z］.2003.

［6］于相斌.電感式傳感器測量轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010(3):77-78.