工業(yè)用便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計設(shè)計

1、工業(yè)用便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計設(shè)計         1、引言    在冶金、石油、化工、機(jī)械制造和國防等行業(yè)中，往往需要測量2001000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(jìn)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(yīng)的溫度；也可以用線性校正電路將小信號電壓放大后，

2、通過顯示儀表的刻度讀數(shù)。在某些輸油、輸氣管道應(yīng)用中，往往要求對溫度進(jìn)行長時間監(jiān)測，且要求能夠快速準(zhǔn)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(jī)進(jìn)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(yīng)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(jī)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(jī)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(shè)計。 圖1 便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計原理圖    2、硬件電路設(shè)計     在測量過程中，熱電偶產(chǎn)生的

3、一般是相對于冷端的溫差電動勢。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行溫度補(bǔ)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(yīng)的補(bǔ)償電壓。其真實溫度的溫差電動勢等于測得的電動勢與補(bǔ)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AD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

4、由此計算出補(bǔ)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(dá)到低功耗高精度之目的，本設(shè)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(shè)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2001000，熱電動勢范圍為9.835mV76.358mV，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

5、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(zhǔn)確度可達(dá)±0.1，在150時，其靈敏度可達(dá)38V。圖2 鎳鉻銅鎳（康銅）熱電偶熱電動勢溫度曲線    2.2 數(shù)據(jù)采集電路    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(zhǔn)電路和補(bǔ)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2.7V3.3V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

6、1.235V的情況下，雙極性輸入信號的最大幅度范圍為0±10mV（Gain128）到0±1.235V（Gain1）。另外，AD7705還可直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號。它采用技術(shù)來實現(xiàn)16位AD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(jìn)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(yīng)類似于中值濾波器的響應(yīng)，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(yīng)的第一個

7、凹點頻率一致。因此，當(dāng)輸出速率為25Hz時，濾波器第一個凹點也為25Hz。另外，（sinxx）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(dāng)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。    當(dāng)AD7705工作電壓為3V，片內(nèi)可編程放大器增益設(shè)置為1時，AD的精度為16位，最小分辨電壓為37.69V（1.235V×265536）。而熱電偶每變化1（1501000）的輸出

8、熱電動勢變化為38V81V，大于AD7705的最小分辨電壓。所以，系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到1，能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測量要求。由于AD7705可直接對0.6175V0.6175V電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此，當(dāng)熱電偶測量小于0的溫度且熱電動勢小于0V時，它不需額外的電路也能正常工作。    AD589是AD7705的電壓參考源。AD589是價格低廉的雙端器件，它能提供帶有溫度補(bǔ)償特性的1.235V帶隙參考電壓輸出。其片內(nèi)元件匹配和熱跟蹤特性使AD589具有很高的穩(wěn)定性。此外，AD589的輸出阻抗比普通的低溫度系數(shù)齊納二極管低10倍，因此，即使負(fù)載發(fā)生變化，該電路也可以在無需外部

9、器件的情況下維持很高的精度。    2.3 用AD7416測量冷端溫度    AD7416是一個完整的單片溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其測溫范圍為55125。該器件內(nèi)含一個帶隙溫度傳感器和一個10位AD轉(zhuǎn)換器，其中AD轉(zhuǎn)換器用于監(jiān)控溫度并將溫度值數(shù)字化，可達(dá)到0.25的分辨率。本文介紹的數(shù)字溫度計選用AD7416來測量本地溫度，并可在熱電偶參比端溫度不為0時，輸出所需補(bǔ)償?shù)碾妷褐怠?#160;   2.4 控制和顯示電路    MSP430F413是德州儀器公司生產(chǎn)的一款超低功耗單片機(jī)，其電壓范圍為

10、1.83.6V，由于MSP430F413片內(nèi)包含多種功能模塊（如鎖頻環(huán)路、定時器、看門狗、比較器、液晶驅(qū)動電路和輸入輸出端口等），因此可適合不同應(yīng)用場合的需要。它的低功耗和低電壓特性特別適用于電池供電的便攜式儀器。MSP430F413通過P1.4、P1.5、P1.6分別與AD7705的SCLK、DIN、DOUT相連以構(gòu)成三線接口。當(dāng)P1.3為低時，選中AD7705以完成啟動AD轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)、讀取數(shù)據(jù)的功能。一旦AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，即可由P1.7讀到DRDY引腳的電平變化，從而使系統(tǒng)作出應(yīng)用反應(yīng)。通過P6.5、P6.4與AD7416構(gòu)成的I2C總線可以采集本地溫度數(shù)據(jù)。   

11、; MSP430F413的P3、P4、P5口均有第二功能作用，它們除作為普通的IO口外，還可以驅(qū)動具有四個COM口的24個段引腳的液晶模塊。在本設(shè)計中，其顯示部分采用六位筆段式液晶顯示器。引腳R33、R23、R13和R03間的三個1M電阻分壓器可為液晶顯示提供參考偏置電壓。每個字符的尺寸為15mm×10mm，因此可方便地在一定距離上讀出數(shù)據(jù)。    此外，在P1.0、P1.1、P1.2三個引腳上分別接一個按鍵，可設(shè)置為中斷方式，并通過這三個按鍵設(shè)置系統(tǒng)的采樣時間間隔、門限值以及控制系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)或工作狀態(tài)。    單片機(jī)

12、的時鐘信號由32.768kHz晶振和片內(nèi)振蕩電路產(chǎn)生，因此，降低了功耗?？撮T狗電路可保證程序長時間的正常運(yùn)行。    若系統(tǒng)每10秒采集一次數(shù)據(jù)，則整個系統(tǒng)一周期內(nèi)的平均電流為103.2A。如果整個系統(tǒng)使用3V1Ah的電池供電，系統(tǒng)可以連續(xù)工作13個月。如果降低數(shù)據(jù)采集頻率，還可以進(jìn)一步延長電池壽命。    3、軟件及系統(tǒng)實驗     本數(shù)字溫度計系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集程序、定時器中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFE0h，優(yōu)先級為0）、看門狗中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFF4h，優(yōu)先級為10）、按鍵中斷服務(wù)程序（

13、入口地址為0FFE8h，優(yōu)先級為4）、液晶顯示程序和熱電偶分度表數(shù)據(jù)組成。    系統(tǒng)中的單片機(jī)工作時處于激活模式，工作間隙可設(shè)定為低功耗模式2以降低功耗，達(dá)到延長電池壽命之目的。    由于MSP430F413片內(nèi)的ROM只有8k字節(jié)，它不可能完全存儲分度表的數(shù)據(jù)，因此，在一定的誤差范圍內(nèi)，對于近似線性部分，可以用折線段分段逼近。對于曲率較大的曲線部分，則可用切比雪夫近似表達(dá)式編程計算。    由于在工業(yè)環(huán)境中，被測環(huán)境溫度和本地溫度不會發(fā)生突變，因此，可以每隔一段時間間隔對溫度進(jìn)行一次測量顯示。數(shù)據(jù)采

14、集程序的算法具有自適應(yīng)特性，因此，當(dāng)某一溫度在單位時間間隔內(nèi)變化超過設(shè)定的門限值時，MSP430F413將縮短采樣時間間隔以加快采樣頻率，并通過蜂鳴器U1和發(fā)光二極管D1發(fā)出聲光報警信號。實驗表明，AD7416的靈敏度較高，并可對本地溫度數(shù)據(jù)采用平滑濾波的方法來減小誤差。    系統(tǒng)的主流程圖和定時器中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。圖3 系統(tǒng)主流程和定時器中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集流程圖    4、結(jié)束語     該系統(tǒng)的精度和分辨率主要取決于傳感器及AD芯片的精度和分辨率。由于應(yīng)用中使用數(shù)字化不可能完全消除誤差，因此，測量溫度時還要注意消除由冷端溫度或冷端補(bǔ)償產(chǎn)生的誤差以及連接補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差，同時應(yīng)注意電路誤差和由于噪聲、絕緣電阻、熱電