1 系统设计方案
系统总体设计如图1所示。整个仪器除感温元件热电偶外,主要还由两级放大电路、数据转换电路(A/D和D/A转换)、单片机、键盘显示电路、时钟电路、通讯电路等组成。感温元件热电偶检测温度后,将温度信号转变成电压信号,由于热电偶的输出电压非常小,因此必须经过放大后才能进行A/D转换。电压信号经过A/D转换后变成数字信号,由单片机进行数据处理及进行相应的显示。本系统在数据处理上速度要求不是很高, 8位单片机即可,因此,选用MCS-51系列单片机。考虑到功耗问题(如: 8051功耗为630mW,而80C51为120mW )本系统选用CHMOS工艺的芯片。又因本系统需要处理数量较大的数据,程序占用空间也较大,而对定时器/计数器和中断源的数量要求不多,结合现有的单片机开发系统(伟福仿真器E6000),选用80C51系列的8OC31。
2 信号输入部分设计
2.1 信号输入部分总体设计
该部分主要由一片单片集成测量放大器ICL7650和一片OP07来实现两级放大;而冷端补偿部分由集成温度传感器AD590和两片OP07构成;两片8选1的模拟开关CD4051将输入信号和冷端补偿信号引入;采用一片AD1674将输入的模拟信号转变为数字信号送入单片机80C31。输入部分模块如图2。
2.2 芯片的选用
(1)第一级测量放大器
测量放大器又称数据放大器,它是一种高性能的放大器,常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其他有较大共模干扰的条件下,本质上是直流缓变的微弱差值信号放大。本设计中选用ICL7650,它是美国Maxim生产的自稳零高精度放大器。
(2)第二级放大器
第二级放大器选择高精度型运放OP07。第一级测量放大器的输出通过模拟开关送给第二级放大器,为了保证测量精度,必须使输出的电压和A/D转换器的量程相匹配。在本设计中,采用四种传感器作为温度测量元件,各种热电偶的输出电压范围不同,因此必须对各种热电偶匹配不同的放大倍数,使它们将各自输出的微弱电压信号经过不同放大倍数的放大后都能达到A/D转换器的满量程,本设计中根据不同的总的放大倍数再选择第二级的放大倍数。
(3)模拟开关
在该设计中,热电偶的冷端和仪表处于同一温度下,为了实现热电偶的冷端补偿,就必须测量出所处环境的温度,在此采用AD590作为环境温度的检测元件,其输出同样是模拟信号,因此也必须经过A/D转换器进行转换,为了降低成本,可以和热电偶输出电压信号共用一个A/D转换器,因此就要用到多路转换开关,实现两路信号的选择。选用的CD4051是单片集成的8通道CMOS的模拟多路开关,它有三个地址信号输入端A,B,C和一个禁止端INH。从A,B,C输入的地址信号用来选择8个通道中的一个。
3 模拟信号输出电路设计
3.1 信号输出部分总体设计
系统由80C31输出的数字信号,需经过D/A转换转变为模拟信号,再经功率放大去控制温度。由一片DAC0832将8031输出的数字量转变为模拟量,其后端接一片OP07对信号进行放大,然后再接入1片八选一的多路模拟开关CD4051,将输出扩展为8路。该部分的框图见图3。
3.2 芯片的选择
D/A转换器选用DAC0832,该芯片是8位分辨率的D/A集成芯片,与微处理机完全兼容,具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。系统设计的多路输出,并不需要同时输出,因此采用单缓冲方式接口。
4 误差分析
为了提高仪器的测量准确度,必须分析仪器本身的误差来源,以便进一步改善仪器的性能。通过对仪器本身的分析,可知该仪器的主要误差来自于热电偶和单片机系统,下面进行具体分析。
4.1 热电偶带来的测量误差
应用热电偶测量某处温度时,一般来说需经过一段时间后,才能测得被测处的真实温度。但实际上并非如此,各种因素影响了热电偶测温的准确性。热电偶主要从三方面引起误差:热电偶安装引起的测量误差;热电偶固有特性引起的误差;检定过程中引起的误差。
4.2 单片机系统带来的误差
在单片机系统中主要是A/D转换器存在转换误差。它是A/D转换器的量化误差、偏置误差、增益误差、非线性误差的综合结果。在本设计中选用的是12位的A/D转换器AD1674,为模拟量单极性输入,输入量从“10V10”引脚输入,所以在本设计中,A/D转换器的转换误差为:
当测量温度范围是0~2000℃时,引起的最大误差为:
5 结束语
随着现代自动控制技术以及计算机技术的迅猛发展和日益完善,工业生产过程已经逐步走向标准化、自动化,同时对自动控制系统和检测装置提出了更高的要求。同样地,对于国内的仪器仪表的研制和开发行业以及生产和使用热电偶测温元件的厂家来说,热电偶的技术也在不断的提高和发展。本文所研究的多功能温度测量仪的研制开发具有广阔的应用前景,有待于进一步将其应用推广。
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作者简介:丁长云(1979—),男,助工,研究方向为仪表的应用与维护。
收稿日期:2008-07
