基于K型熱電偶的帶式傳感器測(cè)溫系統(tǒng)

摘要:介紹一種基于K型熱電偶的帶式傳感器測(cè)溫系統(tǒng),以數(shù)字溫度傳感器DSI8B20作為K型熱電偶的冷端補(bǔ)償,并由多路的測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)成帶式傳感器陣列。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)具有良好的測(cè)試精度,性能可靠,可對(duì)高溫物體的多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,具有良好的工程化價(jià)值。
0引言
　　隨著科技的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對(duì)高溫物體的多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量。而目前市場(chǎng)上普遍存在的溫度檢測(cè)儀器大都是單點(diǎn)測(cè)量，且溫度信息傳遞慢，精度低。在這樣的情況下，開(kāi)發(fā)一種能同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度，且實(shí)時(shí)性高、精度高的多點(diǎn)溫度信息的測(cè)量系統(tǒng)就很有必要。
　　本文采用K型熱電偶作為測(cè)溫元件，用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度補(bǔ)償，將采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)字化處理后，通過(guò)RS-485總線(xiàn)互連并傳送至適配器。整個(gè)適配器通信模塊采用C8051F410作為微控制器。該測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明確，可以非常容易實(shí)現(xiàn)多路測(cè)溫，輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。
1系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　本文所研究的帶式傳感器陣列，由相對(duì)獨(dú)立的4個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)組成帶式傳感器。每個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)包括K型:熱電偶、運(yùn)算放大器、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字溫度傳感器DS18B20及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路,每條傳感器測(cè)試帶上設(shè)置有一個(gè)行測(cè)試帶信息管理模塊，每一行內(nèi)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)與行測(cè)試帶信息管理模塊相連，行測(cè)試帶信息管理模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行測(cè)試節(jié)點(diǎn)單元傳感器信號(hào)的采集，經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)字化處理后，通過(guò)RS-485總線(xiàn)互連并傳輸至適配器。4行傳感器測(cè)試帶平行排列組合在一起，構(gòu)成由4×4個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)組成的帶式傳感器陣列，由此滿(mǎn)足多點(diǎn)測(cè)試的要求。帶式傳感器陣列的電源通過(guò)共用的總線(xiàn)提供。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)各單元模塊設(shè)計(jì).
2.1測(cè)試單元模塊設(shè)計(jì)
　　熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測(cè)量?jī)x表，是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量溫度的，是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A.B接成閉合回路，接觸測(cè)溫點(diǎn)的一端稱(chēng)測(cè)量端,一端稱(chēng)參比端。若測(cè)量端和參比端所處溫度t和t。不同，則在回路的A.B之間就產(chǎn)生一熱電勢(shì)EAB[t，t0),這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。本文選用K型熱電偶作為測(cè)溫模塊。
　　本設(shè)計(jì)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為K型熱電偶的冷端補(bǔ)償模塊。DS18B20為可編程分辨率的單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器。可通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，供電范圍為3.0~5.5V,測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃，精度為+0.5℃，傳感器分辨率可被使用者選擇為9~12位。DS18B20的連接電路圖如圖2所示。。

　　運(yùn)放部分選用精密、低功耗儀表放大器INA128。它通用的3運(yùn)放設(shè)計(jì)和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛，反饋電流輸入電路即使在高增益條件下也可提供較寬的帶寬，單個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)從1~10000的任一增益選擇。INA128的連接電路圖如圖3所示。

　　A/D轉(zhuǎn)換采用ADS1115。ADS1115為具有內(nèi)部基準(zhǔn)的超小型、低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS1113/4/5在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了精度、功耗和實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性，具有一個(gè)板.上基準(zhǔn)和振蕩器。數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)I'C兼容型串行接口進(jìn)行傳輸，可以選擇4個(gè)IFC從地址。ADS1113/4/5采用2.0~5.5V的單工作電源。ADS1115的連接電路圖如圖4所示。

2.2信息管理模塊設(shè)計(jì)
　　信息管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)傳感器信號(hào)的采集和處理，并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收上位機(jī)指令并將采集到的信息傳送到適配器中進(jìn)行保存或供上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)察。采用8051內(nèi)核的微處理器對(duì)信息管理模塊數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)485總線(xiàn)將數(shù)據(jù)輸出。
2.3適配器模塊設(shè)計(jì)
　　整個(gè)適配器通信模塊采用C8051F410作為微控制器，采用CP2200作為以太網(wǎng)控制器。系統(tǒng)提供RJ-45接口與網(wǎng)絡(luò)連接，完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　首先，關(guān)閉單片機(jī)看門(mén)狗，初始化定時(shí)器，規(guī)定單片機(jī)10ms采集一次數(shù)據(jù)，初始化串口為方式一，循環(huán)采集16個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，打包以后放到隊(duì)列當(dāng)中，通過(guò)RS-485通信上傳給上位機(jī)，由上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖6所示。

4結(jié)論
　　本文選用的K型熱電偶測(cè)溫范圍廣、價(jià)格低廉、重復(fù)性好、產(chǎn)生的熱電勢(shì)大，因而靈敏度很高，而且它的線(xiàn)性度很好，非常適合用于工業(yè)測(cè)溫。本文所提出的利用帶式傳感器組成傳感器陣列，進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫，具有精度高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，適用于各種溫度檢測(cè)和控制系統(tǒng)。因此，在工廠(chǎng)、醫(yī)療、倉(cāng)庫(kù)等各種需要多點(diǎn)測(cè)溫的場(chǎng)所中有著廣闊的運(yùn)用前景。