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熱電偶溫度表測量電路的設計公開

日期：2025-05-02 09:18
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熱電偶溫度表測量電路的設計公開

熱電偶溫度表測量電路的設計公開
熱電偶溫度表由配套熱電偶、外殼和核心測量電路等組成，其核心電路由三大部分組成：(1)測量放大電路；(2)A/D轉換電路；(3)顯示電路。一般用單片機作為信號處理和控製的核心，圖10.6.1所示為市場上常見的熱電偶測溫表。若對電路稍作改進也可變成溫度控製器或兼具溫度控製與報警雙重功能。

溫度表硬件電路設計
1.1 熱電偶溫度傳感器及其冷端補償方法的選擇
可根據測量溫度高低來選擇，儘量選用賤金屬型熱電偶，以降低成本。如鐵—康銅型熱電偶，被測溫度範圍可達-100～1 100℃，冷端補償采用補償電橋法，采用不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。不平衡電橋由電阻R1、R2、R3（錳銅絲繞製）、Rcu（銅絲繞製）四橋臂和橋路穩壓源組成，串聯在熱電偶回路中。Rcu與熱電偶冷端同處於±0℃,而R1=R2=R3=1Ω，橋路電源電壓為4V，由穩壓電源供電，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℃時平衡，這時電橋的四個橋臂電阻R1=R2=R3=Rcu，a、b端無輸出。當冷端溫度偏離20℃時，例如升高時，Rcu增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而減小。Uab與熱電勢減小量相等，Uab與熱電勢迭加後輸出電勢則保持不變，從而達到了冷端補償的自動完成。
1.2 測量放大電路及其芯片
實際電路中，從熱電偶輸出的信號*多不過幾十毫伏（<30mV），且其中包含工頻、靜電和磁偶合等共模乾擾，對這種電路放大就需要放大電路具有很高的共模抑製比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量放大器又稱數據放大器、儀表放大器和橋路放大器，它的輸入阻抗高，易於與各種信號源匹配，而它的輸入失調電壓和輸入失調電流及輸入偏置電流小，並且溫漂較小。由於時間溫漂小，因而測量放大器的穩定性好。由三運放組成測量放大器，差動輸入端R1和R2分彆接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對稱電路結構，而且被測信號直接加到輸入端，從而保證了較強的抑製共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數為：AV=V0/（V2-V1），AV=Rf/R[1+(Rf1+Rf2)/RW]。在此電路中，隻要運放A1和A2性能對稱(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製比，對微小的差模電壓很敏感，適宜於測量遠距離傳輸過來的信號，因而十分易於與微小輸出的傳感器配合使用。RW是用來調整放大倍數的外接電阻，在此用多圈電位器。
實際電路中A1、A2采用低漂移高精度運放OP-07芯片，其輸入失調電壓溫漂αVIOS和輸入失調電流溫漂αIIOS都很小，OP-07采用超高工藝和“齊納微調”技術，使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小，廣泛應用於穩定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度範圍0～70℃，一般不需調零，如果需要調零可采用RW進行調整。A3也采用OP-07芯片，它要求雙電源供電，供電範圍為±(3～18)V，典型供電為±15V，一般應大於或等於±5V，其內部含有補償電容，不需外接補償電容。
1.3  A/D(模數)轉換電路及其芯片
經過測量放大器放大後的電壓信號，其電壓範圍為0～5V，此信號為模擬信號，計算機無法接受，故必須進行A/D轉換。實際電路中，選用ICL7109芯片。ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分型12位A/D轉換器。由於目前12位逐次逼近式A/D轉換器價格較高，因此在要求速度不太高的場合，如用於稱重測壓力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量係統中時，可采用廉價的雙積分式12位A/D轉換器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15μVP-P)；(3)低漂移(<1μV/℃)；(4)高輸入阻抗(典型值1012Ω)；(5)低功耗(<20mW)；(6)轉換速度*快達30次/秒，當采用3.58MHz晶振作振源時，速度為7.5次/秒；(7)片內帶有振蕩器，外部可接晶振或RC電路以組成不同頻率的時鐘電路；(8)12位二進製輸出，同時還有一位極性位和一位溢出位輸出；(9)輸出與TTL兼容，以字節方式(分高低字節)三態輸出，並且具有VART掛鉤方式，可以用簡單的並行或串行口接到微處理係統；(10)可用RVNHOLD(運行/保持)和STATUS(狀態)信號監視和控製轉換定時；(11)所有輸入端都有抗靜電保護電路。
ICL7109內部有一個14位(12位數據和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一個14位的三態輸出寄存器，同時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ICL7109轉換結束時，由STATUS發出轉換結束指令到單片機，單片機對轉換後的數據分高位字節和低位字節進行讀數。在掛鉤接口方式時，ICL7109提供工業標準的數據交換模式，適用於遠距離的數據采集係統。ICL7109為40線雙列直插式封裝，各引腳功能參考相關文獻。
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工作於直接輸出方式。振蕩器選擇端(即OS端，24腳)接地，則7109的時鐘振蕩器以晶體振蕩器工作，內部時鐘等於58分頻後的振蕩器頻率，外接晶體為6MHz，則時鐘頻率=6MHz/58=103kHz。積分時間=2048×時間周期=20ms，與50Hz電源周期相同。積分時間為電源周期的整數倍，可抑製50Hz的串模乾擾。
在模擬輸入信號較小時，如0～0.5伏時，自動調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。
由傳感器傳來的微弱信號經放大器放大後為0～5V，這時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等於滿度電壓時對應的電阻值(當電流為20μA、輸入電壓=4.096V時，RINT=200kΩ)，此時基準電壓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，使芯片一直處於有效狀態。RUN/HOLD(運行/保持)引腳接+5V，使A/D轉換連續進行。
A/D轉換正在進行時，STATUS引腳輸出高電平，STATUS引腳降為低電平時，由P2.6輸出低電平信號到ICL7109的HBEN，讀高4位數據、極性和溢出位；由P2.7輸出低電平信號到LBEN，讀低8位數據。本係統中儘管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D轉換連續進行，然而如果89C51不查詢P1.0引腳，那麼就不會給出HBEN、LBEN信號，A/D轉換的結果不會出現在數據總線D0～D7上。不需要采集數據時，不會影響89C51的工作，因此這種方法可簡化設計，節省硬件和軟件。
1.5 顯示電路及其驅動芯片
采用3位半LED數碼管顯示器，數碼管的段控用P1口輸出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控製。7407是6位的驅動門，它是一個集電極開路門，當輸入為“0”時輸出為“0”；輸入為“1”時輸出斷開，須接上位電路。共用兩片7407，分彆作為段控和位控的驅動。數碼管選共陽極接法，當位控為“1”時，該數碼管選通，動態顯示用軟件完成，節省硬件開銷。
硬件原理電路如圖1和2所示，圖1為熱電偶信號的采集及基本放大電路，圖2為單片機控製的A/D轉換及顯示電路部分。
圖1 熱電偶信號的采集及基本放大電路



圖2 單片機控製的A/D轉換及顯示電路部分原理圖


1.6 所用元器件清單
本設計所采用的主要元器件見下表1所示，型號也可用替代的，隻要性能相近就行
序號
名稱
型號規格
數量
序號
名稱
型號規格
數量
1
熱電偶傳感器
SJ-106
1
13
碳膜電阻
15kΩ
2
2
單片機
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
液晶驅動芯片
7407TTL
2
19
陶瓷電容
0.33
3
8
時鐘芯片
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
 
 
 
 

溫度表的軟件設計這一塊將在下一篇文章裡介紹公開。











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