工業便攜式低功耗和高精度數字溫度計設計

1.在冶金、石油、化工、機械制造、國防等行業，經常需要測量氣體和液體的溫度在-200℃ ~ 1000℃ 以前，玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、壓力型溫度計、熱電偶、熱阻和非接觸型溫度計通常用于溫度測量 其中，熱電偶測溫范圍廣。它可以直接產生電壓(熱電位)信號，而無需使用驅動電源。信號可由DC測量儀器(如電位計/[/k11/)電壓表、毫伏表等讀取。)通過熱電偶溫度特性指數表找出相應的溫度。也可以使用線性校正電路放大小信號電壓并顯示儀表的刻度讀數。 在石油和天然氣管道的某些應用中，經常需要長時間監控溫度，并快速準確地讀取溫度。 此時，上述類型溫度計無法勝任 但是，如果將熱電偶產生的熱電勢轉換成數字信號，然后由單片機處理數據，通過液晶顯示溫度結果，這種方法具有響應速度快、測量精度高、功耗低、顯示直觀的優點。 因此，由熱電偶、模數轉換電路、單片機和液晶模塊組成的數字型低功耗高精度溫度計可以替代各種機械類型溫度計在特殊情況下完成溫度測控工作，便于實現小型化設計。 圖1便攜式低功耗高精度數字溫度計原理圖2，測量過程中的硬件電路設計，熱電偶一般相對于冷端產生熱電電動勢 工業標準一般規定冷端溫度為0℃ 然而，在實際使用中，將冷端放入冰水混合物是不方便的。 如果局部溫度不為0℃，熱電電動勢可能更大或更小。 因此，實際電路通常需要熱電電動勢的溫度補償。 本系統利用AD7416測量局部溫度，并根據分度表計算相應的補償電壓。 其實際溫度的熱電電動勢等于測得的電動勢和補償電壓之差。 便攜式低功耗、高精度數字溫度計系統由四部分組成:*是熱電偶；二是由AD7705和AD589組成的數據采集電路，其中a/d轉換電路的功能是將熱電偶產生的熱電勢轉換成數字信號；第三部分是AD7416，可以測量冷端溫度，計算補償電壓。第四部分是由MSP430F413和六位筆段液晶顯示器組成的控制和顯示電路 具體電路圖如圖1所示。 為了達到低功耗、高精度的目標，本設計方案中選擇的所有芯片都具有低功耗模式，并能在測量間隙時以省電模式工作。 電路的每個部分將在下面詳細描述。 2.1熱電偶K型或J型鎳-鉻-銅-鎳(康斯坦坦)熱電偶 它們更適合氧化和弱還原環境中的溫度測量系統。其測溫范圍為-200℃ ~ 1000℃，熱電動勢范圍為-9.835毫伏~ 76.358毫伏。由于這些熱電偶具有穩定性好、靈敏度高、價格低廉的優點，非常適合便攜式溫度測量儀器的使用。 圖2是鎳-鉻-銅-鎳(康銅)熱電偶的熱電力-溫度曲線。經分析，其精度可達& plusmn在0.1℃和-150℃下，靈敏度可達38μ；V/℃ 圖2ni-Cr-Cu-Ni(constantan)熱電偶溫差電動力-溫度曲線2.2數據采集電路在電路的這一部分，AD7705是低頻測量系統中使用的前端器件，具有高分辨率和省電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求 此外，AD7705還內置數字濾波電路、校準電路和補償電路，可以更好地保證高精度溫度測量。 ad7705采用2.7V~3.3V單電源，具有兩個模擬差分輸入通道。在3V電源和1.235伏參考電壓條件下，雙極輸入信號的較大幅度范圍為0 ~ & plusmn10mv(增益= 128)至0 ~ & plusmn1.235伏(增益=1) 此外，AD7705還可以直接接收傳感器產生的小信號進行模數轉換，并輸出串行數字信號。 它采用& Sigma-&三角洲；實現16位模數轉換的技術 采樣速率由MCLKIN的主時鐘和放大器的可變增益決定。 事實上，AD7705可以同時對輸入信號進行片內放大、調制轉換和數字濾波。 其數字濾波器的阻帶可編程，以調整濾波器的截止頻率和輸出數據的更新速率。 該濾波器的響應類似于中值濾波器，但下降沿更陡。 因為數字濾波器的輸出速率與濾波器幅頻響應的*凹坑頻率一致 因此，當輸出速率為25Hz時，濾波器*凹坑也為25Hz。 此外，(sinx/x) 3濾波器還可以將* pit頻率的諧波成分抑制40dB以上。 當FS0和FS1分別為0和1時，輸出速率和*凹坑頻率在- 3dB點分別為25Hz和6.55Hz。 如果測量的環境溫度變化緩慢，電路可以有效抑制模數轉換過程中大于6.55赫茲的干擾信號，包括50赫茲的干擾信號 當AD7705的工作電壓為3V，片內可編程放大器的增益設置為1時，a/d精度為16位，zui小分辨率電壓為37.69μ；v(1.235伏×次；2/65536) 而熱電偶每1℃(150℃~ 1000℃)輸出熱電動力變化為38μ；v ~ 81μ；V/℃，大于AD7705的zui小分辨率電壓 因此，系統的分辨率可以達到1℃，能夠滿足大多數工業測量要求。 由于AD7705可以直接對-0.6175 v至0.6175 v的電壓進行模數轉換，當熱電偶測量溫度低于0℃且熱電勢低于0V時，無需額外電路即可正常工作。 ad589是AD7705的基準電壓源。 AD589是一款廉價的雙端器件，可以提供1.235伏帶隙基準電壓輸出，并具有溫度補償特性。 其片內元件匹配和熱跟蹤特性使AD589高度穩定。 此外，AD589的輸出阻抗比傳統的低溫系數齊納二極管低10倍，因此即使負載發生變化，電路也可以保持高精度，而無需外部器件。 2.3利用AD7416 ad7416測量冷端溫度是一個完整的單片溫度監控系統，溫度測量范圍為-55℃至125℃ 該器件包括帶隙溫度傳感器和10位模數轉換器，模數轉換器用于監控溫度并將溫度值數字轉換為0.25℃的分辨率 本文介紹的數字溫度計利用AD7416測量局部溫度，當熱電偶參考端溫度不為0℃時，可以輸出待補償的電壓值 2.4控制和顯示電路MSP430F413是德州儀器生產的超低功耗單片機。由于msp430f413包含許多功能模塊(如鎖頻環、定時器、看門狗、比較器、液晶驅動電路、輸入輸出端口等)。)，它可以適用于不同的應用。 其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分別通過P1.4、P1.5和P1.6連接到AD7705的SCLK、DIN和DOUT，形成三線接口。 P1.3為低電平時，選擇AD7705完成模數轉換、校準和數據讀取功能。 模數轉換完成后，可以從P1.7讀取DRDY引腳的電平變化，從而使系統做出應用響應。 由P6.5、P6.4和AD7416組成的I2C總線可以采集本地溫度數據。 MSP 430f413的P3、P4和P5港口都有第二種功能。除了普通的輸入/輸出端口外，它們還可以驅動一個具有24個分段引腳和4個通信端口的液晶模塊 在本設計中，顯示部分采用六位筆段液晶顯示器。 引腳R33、R23、R13和R03之間有三個1Mω；電阻分壓器可以為液晶顯示器提供參考偏置電壓 每個字符的大小為15毫米×15倍；10毫米，因此在一定距離上讀取數據很方便。 另外，按鍵分別連接到三個引腳P1.0、P1.1和P1.2，可以設置為中斷模式，采樣時間間隔、閾值和控制系統通過三個按鍵進入低功耗狀態或工作狀態。 微控制器的時鐘信號由32.768千赫晶體振蕩器和片內振蕩器電路產生，從而降低功耗。 看門狗電路可以保證程序長時間正常運行。 如果系統每10秒收集一次數據，整個系統在一個周期內的平均電流為103.2μ；A 如果整個系統由3V/1AH電池供電，系統可以連續工作13個月。 如果數據采集頻率降低，電池壽命可以進一步延長。 3.軟件和系統實驗書數字溫度計系統軟件由數據采集程序、定時器中斷服務程序(入口地址為0FFE0h，優先級為0)、看門狗中斷服務程序(入口地址為0FFF4h，優先級為10)、關鍵中斷服務程序(入口地址為0FFE8h，優先級為4)、液晶顯示程序和熱電偶索引表數據組成 系統中的單片機工作時處于活動模式，工作間隙可以設置為低功耗模式2，以降低功耗，達到延長電池壽命的目的。 由于MSP430F413芯片中的只讀存儲器只有8k字節，因此不可能完全存儲分度表的數據。因此，在一定的誤差范圍內，近似線性部分可以由虛線段的分段來近似。 對于曲率較大的曲線，切比雪夫近似表達式可用于編程計算。 由于測量的環境溫度和局部溫度不會在工業環境中突然變化，因此可以間隔測量和顯示溫度。 數據采集程序的算法具有自適應特性。因此，當某一溫度在單位時間間隔內超過設定的閾值時，MSP430F413將縮短采樣時間間隔以加快采樣頻率，并通過蜂鳴器U1和發光二極管D1發出聲光報警信號 實驗表明，AD7416具有較高的靈敏度，可以通過平滑局部溫度數據來減少誤差。 msp430f413單片機程序可以用c語言編寫，可讀性強，便于移植。 該程序可以由國際癌癥研究所的國際癌癥研究所嵌入式工作臺和IAR斯皮德克爾編譯成機器代碼。 IAREmbeddedWorkbench系統的軟件包括MSP430F413單芯片頭文件msp430x41x.h和in430.h，該文件定義了芯片上特殊功能寄存器、操作模式、輸入和輸出寄存器、定時器、系統時鐘、電源管理、比較器、液晶顯示寄存器、看門狗定時器、中斷向量和庫函數的名稱。 程序代碼可由計算機通過MSP 430閃存仿真工具的JTAG接口寫入片內閃存。 由于MSP430F413單片機的JTAG接口支持在線編程，因此在編寫程序的同時升級現有程序非常方便。 系統的主流程圖和定時器中斷服務程序的數據采集流程圖如圖3所示。 圖3系統主流程和定時器中斷服務程序數據采集流程圖4結論系統的精度和分辨率主要取決于傳感器和a/d芯片的精度和分辨率 As 數字應用中使用的變換不能完全消除誤差，還應注意消除冷端溫度或冷端補償引起的誤差以及測量溫度時連接補償導線的誤差，同時應注意電路誤差和噪聲、絕緣電阻、熱阻等引起的誤差。 根據實際需要，可采用高穩定性熱電偶和精度為1℃的局部溫度傳感器，可在一定溫度范圍內提高精度。 該系統以MSP430F413和AD7705為核心，實現了低功耗、高精度便攜式溫度計的設計。 對于便攜式儀器，該設計實現了低成本、寬測溫范圍條件下的低功耗、高精度要求，具有一定的實用價值。 目前，該電路已經投入使用。實踐表明，全便攜式低功耗高精度數字溫度計使用方便，運行穩定，待機時間長，具有廣闊的應用前景。

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