基于K型熱電偶的精度高測溫放大電路

摘要:針對K型熱電偶輸出電壓為微伏級別，本文設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶測溫的放大電路。該設(shè)計(jì)通過LM35溫度傳感器對冷端進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，放大電路采用集成放大芯片AD7523，具有最高放大256倍的增益，采用精度高16位ADC轉(zhuǎn)換芯片ADS1148,使用STC90C58AD單片機(jī)作為主控芯片，對K型熱電偶進(jìn)行了線性擬合，通過驅(qū)動LCD1602液晶對溫度進(jìn)行顯示。
引言
　　K型熱電偶作為一種溫度溫度傳感器，其材料主要采用鎳鉻-鎳硅合金構(gòu)成，由于鎳鉻一鎳硅合金具有較好的高溫抗氧化性，因此K型熱電偶可用來長期測量高溫。K型熱電偶具有測溫范圍廣、熱電動勢大、靈敏度高、線性度好、抗氧化能力強(qiáng)和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)自動化控制中常用的測溫工具。
　　本文K型熱電偶測溫范圍為-50℃~450℃，以STC90C58AD作為裝置的微處理器，使用具有256倍高增益芯片AD7523對K型熱電偶輸出信號進(jìn)行放大，采用精度高的16位的ADS1148作為ADC將放大信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出16位數(shù)字量經(jīng)STC90C58AD單片機(jī)處理后驅(qū)動LCD1602進(jìn)行溫度顯示。
1電路工作框圖
　　電路框圖如圖1所示，K型熱電偶所測溫度為熱端與冷端的溫度差，在實(shí)際測量時(shí)，還需要求得冷端溫度值，冷端溫度由精密集成溫度傳感器LM35進(jìn)行補(bǔ)償，其輸出的電壓與攝氏溫度線性度非常好。因此，LM35要比其他線性溫度傳感器優(yōu)越。其輸出電壓進(jìn)行分壓后使其電壓與溫度比和K型熱電偶相同，輸出連接K型熱電偶冷端，K型熱電偶熱端輸出電壓信號經(jīng)高增益放大器AD7523放大后，再由16位精度高ADC轉(zhuǎn)換芯進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到16數(shù)字量數(shù)據(jù)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動LCD1602液晶.進(jìn)行溫度顯示"。
 
2K型熱電偶測溫電路原理
　　K型熱電偶測溫電路框圖如圖2所示，K型熱電偶在連接放大器AD7523之前，信號先經(jīng)過前置濾波電路對信號進(jìn)行濾波，以衰減熱電偶.上的噪聲，提高溫度精度。濾波后的信號經(jīng)AD7523可編程增益.放大器進(jìn)行放大，輸入為差分輸入，能很好地抑制共模噪聲，放大之后的信號再由高度集成的16位精度高的ADC芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得16位的溫度數(shù)字信號，將數(shù)字信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)處理計(jì)算并對熱電偶進(jìn)行線性擬合后,驅(qū)動LCD1602液晶顯示屏將溫度值顯示出來。
 
2.1熱電偶冷端補(bǔ)償電路
　　由熱電偶測溫原理可知，熱電偶熱端-*般固定在被測物體上,冷端暴露于空氣中,冷端處于環(huán)境溫度中，被測物溫度是冷熱端溫度差與環(huán)境溫度的和值。冷端溫度受環(huán)境因素的影響并非一個(gè)固定值，所以需要對冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償2。常用的冷端有3種:
(1)補(bǔ)償導(dǎo)線法
　　為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定，可以把熱.電偶導(dǎo)線做得很長，使冷端遠(yuǎn)離工作點(diǎn)，處于恒溫環(huán)境中，這樣熱端電勢就是溫度的單一函數(shù)。但此方法安裝不太方便，且冷端溫度保持恒定也給設(shè)計(jì)帶來不方便。
(2)電橋補(bǔ)償法
　　如圖3所示，將一個(gè)由直流電壓供電的不平衡電橋串接于熱電偶的測量電路中，令溫敏電阻Rt與冷端連接處于環(huán)境中，平衡電橋輸出電勢可以抵消冷端溫度變化帶來的影響,達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)哪康模琑t-般放在測量儀表接線端子上，熱電偶接線盒與測量儀表間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。該方法用熱敏元件進(jìn)行冷端補(bǔ)償。將引入1C以上的誤差，測量成本與補(bǔ)償導(dǎo)線的長度有關(guān)，導(dǎo)線較長時(shí)，費(fèi)用很高。
 
　　本文使用LM35集成溫度傳感器作為冷端補(bǔ)償，電路如圖4所示。LM35為電壓型輸出溫度傳感器，測溫范圍為-50℃~150℃，溫度每上升1"C,輸出電壓增加10mV，而K型熱電偶的靈敏度為40μV/℃。為了使冷端t1電勢隨溫度變化與K型熱電偶變化一致,對LM35輸出電壓進(jìn)行分壓處理，調(diào)節(jié)RP1使t1點(diǎn)電勢E=VOUT/244,此時(shí)冷端電勢變化為40μV/C，,即可達(dá)到冷端溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?br /> 2.2可編程高增益放大器AD7523
　　AD7523是一款高增益的集成放大器，采用差分輸入模式，具有很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移及抑制共模噪聲與干擾的能力。AD7523集成的低噪聲可編程增益最高可達(dá)到256倍，能很好的將K型熱電偶輸出的微弱信號放大到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7523所需要的電壓值，AD7523的高集成度、低噪聲和高增益放大位數(shù)，很好的簡化了電路模塊,對增強(qiáng)電路穩(wěn)定起到很大作用。
2.3精度高ADC轉(zhuǎn)換芯片ADS1148
　　K型熱電偶電壓信號輸出端接ADS1148的輸入端，電路采用差分輸入方式可以有效地消除導(dǎo)線電阻對測量精度的影響，電路的輸入端設(shè)計(jì)了濾波電路，用來濾除電路噪聲,提高測量精度。ADS1148是16位的集成精密ADC芯片，主控單片機(jī)與通過控制信號實(shí)現(xiàn)ADS1148的ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后數(shù)據(jù)采用SPL總線進(jìn)行通信。
2.4線性擬合
　　K型熱電偶的熱電勢與溫度存在非線性關(guān)系，材料本身的電阻非線性也會影響輸出的精度，導(dǎo)致熱電偶輸出電壓與實(shí)際測量溫度存在誤差,為了提高測量精度，本文采用了Matlab軟件對熱該測溫裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合和校正，并對溫度分?jǐn)噙M(jìn)行了線性擬合,使溫度誤差得到了很好的改善B。分段線性擬合區(qū)間分別為[-50℃~-20℃]、[-20℃~10℃]、[10℃~-300℃]、[300℃~-450℃],
得到的溫度與熱電勢關(guān)系式為:
溫度為[-50℃~-20℃)時(shí):
T-0.0265V+1.2747+Tt(1)
溫度為[-20℃~10℃)時(shí):
T-0.0251V+0.0105+Tt(2)
溫度為[10℃~300℃)時(shí):
T-0.0239V+0.4762+Tt(3)
溫度為[300℃~450℃)時(shí):
T=0.0230V+12.422+Tt(4)
2.5控制顯示模塊
　　LCD液晶顯示屏連接電路圖如圖5所示，1、2號引腳分別為電源地和電源,3號引腳通過電位器接地可調(diào)節(jié)顯示器對比度，4號引腳RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平0時(shí)選擇指令寄存器，5號引腳RW為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作，6號引腳EN為使能端，7~14號引腳為雙向數(shù)據(jù)端，LCD1602可顯示2行字.符，每行字符數(shù)16個(gè)符合對溫度數(shù)據(jù)的顯示。
LCD1602的基本操作分為四種:
1.讀狀態(tài):輸入RS=0,RW=1,E=高脈沖。輸出:D0~D7為狀態(tài)字。
2.讀數(shù)據(jù):輸入RS=1,RW=1,E=高脈沖。輸出:D0~D7為數(shù)據(jù)。
3.寫命令:輸入RS=0，RW=0，E=高脈沖。輸出:無。
4.寫數(shù)據(jù):輸入RS=1,RW=0，E=高脈沖。輸出:無。
 
3結(jié)束語
　　本文設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶測溫放大電路，該放大電路具有電路簡易，測溫范圍廣且測溫精度高，測溫范圍-50℃~450℃，測溫精度能達(dá)到0.05℃。且裝置多使用精度高的集成芯片，使電路結(jié)構(gòu)簡單化，測溫精度高和穩(wěn)定性能好，便于維護(hù)并適合在不同環(huán)境中運(yùn)行。裝置運(yùn)用的冷端補(bǔ)償對前端和線性擬合方法，對簡化電路和精度提高起到很大作用。