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1、热电偶温度表测量电路的设计热电偶温度表由配套热电偶、外壳和核心测量电路等组成，其核心电路由三大部分组成：(1)测量放大电路；(2)A/D 转换电路；(3)显示电路。一般用单片机作为信号处理和控制的核心，图 10.6.1 所示为市场上常见的热电偶测温表。若对电路稍作改进也可变成温度控制器或兼具温度控制与报警双重功能。图 10.6.1 热电偶温度表1 温度表硬件电路设计1.1 热电偶温度传感器及其冷端补偿方法的选择可根据测量温度高低来选择，尽量选用贱金属型热电偶，以降低成本。如铁康铜型热电偶，被测温度范围可达-100 1 100，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温
2、度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻R1、R 2、R 3（锰铜丝绕制） 、R cu（铜丝绕制）四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。R cu 与热电偶冷端同处于0,而 R1=R2=R3=1，桥路电源电压为 4V，由稳压电源供电，R s 为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在 20时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻 R1=R2=R3=Rcu，a、b 端无输出。当冷端温度偏离 20时，例如升高时，Rcu 增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。U ab 与热电势减小量相等，U ab与热电势迭加后输出电势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。1.2 测量放大电路及
3、其芯片实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏（30mV） ，且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂较小。由于时间温漂小，因而测量放大器的稳定性好。由三运放组成测量放大器，差动输入端 R1 和 R2 分别接到 A1 和 A2 的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A 3 实
4、际上是一差动跟随器，其增益近似为 1。测量放大器的放大倍数为：A V=V0/（V 2-V1） ，A V=Rf/R1+(Rf1+Rf2)/RW。在此电路中，只要运放 A1 和 A2 性能对称(主要指输入阻抗和电压 增益) ，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，适宜于测量远距离传输过来的信号，因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。R W 是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器。实际电路中 A1、A 2 采用低漂移高精度运放 OP-07 芯片，其输入失调电压温漂 V IOS和输入失调电流温漂 I IOS 都很小，OP-07 采用超高工艺和“齐纳微调”技术，
5、使其VIOS、I IOS、V IOS 和 I IOS 都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。OP-07 要求双电源供电，使用温度范围 070，一般不需调零，如果需要调零可采用 RW 进行调整。A 3 也采用 OP-07 芯片，它要求双电源供电，供电范围为(318)V，典型供电为 15V，一般应大于或等于5V，其内部含有补偿电容，不需外接补偿电容。1.3 A/D(模数) 转换电 路及其芯片经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为 05V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行 A/D 转换。实际电路中，选用 ICL7109 芯片。ICL7109 是一种高
6、精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型 12 位 A/D 转换器。由于目前 12 位逐次逼近式 A/D 转换器价格较高，因此在要求速度不太高的场合，如用于称重测压力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉价的双积分式 12 位 A/D 转换器ICL7109。ICL7109 主要有如下特性：(1)高精度(精确到 1/212=1/4096)；(2) 低噪声(典型值为15V P-P)；(3) 低漂移(1V/) ；(4) 高输入阻抗(典型值 1012)；(5) 低功耗(20mW)；(6)转换速度最快达 30 次/秒，当采用 3.58MHz 晶振作振源时，速度为 7.5 次/秒；(7)片
7、内带有振荡器，外部可接晶振或 RC 电路以组成不同频率的时钟电路； (8)12 位二进制输出，同时还有一位极性位和一位溢出位输出；(9)输出与 TTL 兼容，以字节方式( 分高低字节)三态输出，并且具有 VART 挂钩方式，可以用简单的并行或串行口接到微处理系统；(10) 可用RVNHOLD(运行 /保持) 和 STATUS(状态) 信号监视和控制转换定时；(11)所有输入端都有抗静电保护电路。ICL7109 内部有一个 14 位(12 位数据和一位极性、一位溢出) 的锁存器和一个 14 位的三态输出寄存器，同时可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无需外部加额外的锁存器。ICL7109 有两
8、种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。在直接接口方式中，当 ICL7109 转换结束时，由 STATUS 发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109 提供工业标准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。ICL7109 为 40 线双列直插式封装，各引脚功能参考相关文献。1.4 ICL7109 与 89C51 接口电路此处采用直接接口方式，7109 的 MODE 端接地，使 7109 工作于直接输出方式。振荡器选择端( 即 OS 端，24 脚)接地，则 7109 的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于58 分频后的
9、振荡器频率，外接晶体为 6MHz，则时钟频率 =6MHz/58=103kHz。积分时间=2048时间周期 =20ms，与 50Hz 电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz 的串模干扰。在模拟输入信号较小时，如 00.5 伏时，自动调零电容可选比积分电容 CINT 大一倍，以减小噪声，C AZ 的值越大，噪声越小，如果 CINT 选为 0.15F，则 CAZ=2CINT=0.33F。由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为 05V ，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容 CINT 选大一些，使 CINT=2CAZ，选 CINT=0.33F，C AZ=0.15F，通常 CINT
10、和CAZ 可在 0.1F 至 1F 间选择。积分电阻 RINT 等于满度电压时对应的电阻值 (当电流为20A、输入电压=4.096V 时， RINT=200k) ，此时基准电压 V+RI 和 V-RI 之间为 2V，由电阻 R1、 R3 和电位器 R2 分压取得。本电路中，CE/LOAD 引脚接地，使芯片一直处于有效状态。RUN/HOLD(运行/保持)引脚接+5V ，使 A/D 转换连续进行。A/D 转换正在进行时，STATUS 引脚输出高电平，STATUS 引脚降为低电平时，由 P2.6输出低电平信号到 ICL7109 的 HBEN，读高 4 位数据、极性和溢出位；由 P2.7 输出低电平信
11、号到 LBEN，读低 8 位数据。本系统中尽管 CE/LOAD 接地，RUN/HOLD 接+5V，A/D转换连续进行，然而如果 89C51 不查询 P1.0 引脚，那么就不会给出 HBEN、LBEN 信号，A/D 转换的结果不会出现在数据总线 D0D 7 上。不需要采集数据时，不会影响 89C51 的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。1.5 显示电路及其驱动芯片采用 3 位半 LED 数码管显示器，数码管的段控用 P1 口输出，位控由 P3.0、P3.1、P3.2控制。7407 是 6 位的驱动门，它是一个集电极开路门，当输入为“0”时输出为“0” ；输入为“1”时输出断开，须接上
12、位电路。共用两片 7407，分别作为段控和位控的驱动。数码管选共阳极接法，当位控为“1”时，该数码管选通，动态显示用软件完成，节省硬件开销。硬件原理电路如图 1 和 2 所示，图 1 为热电偶信号的采集及基本放大电路，图 2 为单片机控制的 A/D 转换及显示电路部分。+ 1 5 V+ 1 5 V- 1 5 V- 1 5 V-+ 5 V- 1 5 V+ 1 5 V+-+-+2323324 1 56712R11 KR21 KR31 KR41 KR52 KR62 0 0R7= 1 5 KR8= 1 5 KU 2U 1W1= 2 2 KW2= 2 2 K7 1 57 1 566R9= 1 0 KR1
13、 0= 1 0 KR1 11 0 KR1 31 KR1 2= 1 0 KW32 2 K热电偶A1O P - 0 7A2O P - 0 7A3O P - 0 7图 1 热电偶信号的采集及基本放大电路+ 5 V1 0 1 0 17524638C +C -L VN E5 5 5V o u tGND1 61 51 41 31 21 11 098765433 93 83 73 63 53 43 33 22 12 22 32 42 52 62 72 82 91 31 71 63 021 91 8V C C = + 5VR1 7= 2 0 KR1 6= 3 0 KC4= 1 0 5C30 . 3 3 C20
14、 . 3 3 C10 . 3 3 R1 5= 2 0 0 K2 22 3U 1O 03 6V R !2 9V R IV R O3 93 7C R +C R -3 83 2I N T3 13 03 53 43 3C O M M O N2 0C E+ 5 V8 2 0 08 7 0 432003 7 0 4R1 4= 1 K2 2 1 61 13 11 51 4912345678P 1 0P 1 1P 1 2P 1 3P 1 4P 1 5P 1 6P 1 7P 0 0P 0 1P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P 0 6P 0 7P 2 0P 2 1P 2 2P 2 3P 2 4P 2 5P
15、 2 6P 2 7I N T 1R E S E T8 9 C 5 1I C L 7 1 0 9W45 . 1 KA Za U F1 N P I1 M L 05 0 G N D2 4 1M O D E2 12 04 02 6R I I NV +V -S T A T U SL B E NH B E NF C LO RB 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8B 9B 1 0B 1 1B 1 2E A / V P 1 11 0R X DT X DI N T 0R DU RA L EP S E N X 1 9 1 83 3 p F 3 3 p FT X L6 M1 212图 2 单片机控制的 A
16、/D 转换及显示电路部分原理图1.6 所用元器件清单本设计所采用的主要元器件见下表 1 所示，型号也可用替代的，只要性能相近就行。表 1 热电偶测温表所用器件清单序号 名称 型号规格 数量 序号 名称 型号规格 数量1 热电偶传感器 SJ-106 1 13 15k 22 单片机 89C51 1 14 20k 13 液晶显示屏 EDS803 1 15 30k 14 仪表放大芯片 OP-07 3 16碳膜电阻200k 15 A/D 转换芯片 ICL7109 1 17 22k 36 晶振 SMD6*3.5 1 18 电位器 5.1k 17 液晶驱动芯片 7407TTL 2 19 0.33 38 时钟芯片 NE555 1 20 0.1 19 200 12 21 22 110 1k 6 22陶瓷电容33pF 211 2k 1 23 10 212碳膜电阻1
