作者/張亮 ,西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司
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一種基于AD590寬范圍測溫電路
作者/張亮 ,西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司
文章摘要:主要論述了一種基于AD590的寬范圍測溫電路,電路采用atmega16單片機(jī)作為主控芯片,利用該單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)化功能,根據(jù)AD590采集的溫度信號,控制溫度信號調(diào)理電路切換檔位,實(shí)現(xiàn)AD590在—55℃~+150℃全范圍的溫度測量。
關(guān)鍵詞:AD590;溫度測量;運(yùn)算放大器;A/D。 語音識別;單片機(jī);人工智能
溫度測量和控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活中大量應(yīng)用,各種溫度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。其中作為單片集成溫度傳感器的AD590因精度高、價格低、不需輔助電源、線性好,常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償,應(yīng)用非常廣泛。本文主要介紹一種實(shí)現(xiàn)AD590的全溫度范圍的測量電路。
AD590是美國ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源,AD590的測溫范圍為-55℃~+150℃,非線性誤差僅為±0.3℃。它是一種電流型傳感器,流過器件的電流(μA) 等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文) 度數(shù)就,即
公式(1)中,Ir—流過器件(AD590) 的電流,單位為μA;T—熱力學(xué)溫度,單位為K;由于該傳感器輸出電流信號,非常適合遠(yuǎn)距離傳輸,并且不易干擾,特別適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制領(lǐng)域。
AD590輸出的電流值與所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度比值為1,在它的測溫范圍-55℃~+150℃,相應(yīng)輸出電流值為218uA~423uA,到變換電路需要把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,一般簡單方法是采用壓降法,即在AD590的輸出端加上一個采樣電阻到地,如圖1所示,給AD590輸出端加上10K的采樣電阻,則在電阻上輸出的電壓Vt為2.18V~4.23V,壓差為2.05V,電壓隨溫度的變化為0.01V/℃。那么該電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后到MCU處理。假設(shè)選用參考電壓為5V的A/D轉(zhuǎn)換芯片,公式(2)為AD590經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后分辨率的計(jì)算公式。
其中Re為轉(zhuǎn)換分辨率,Vref為AD芯片參考電壓,這里取5V,converbit為AD芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù),ΔT為AD590測溫范圍的溫差,為205℃,ΔV為AD590測溫范圍內(nèi)電流采樣轉(zhuǎn)電壓后電壓差,為2.05V。
根據(jù)公式(2),若用8位A/D芯片,轉(zhuǎn)換分辨率Re 為1.95℃/LSB,選用10位A/D芯片,轉(zhuǎn)換分辨率Re為0.49℃/LSB,選用12位A/D芯片,轉(zhuǎn)換分辨率Re為0.12℃/LSB,選用16位A/D芯片,轉(zhuǎn)換分辨率Re為0.007℃/LSB。從數(shù)據(jù)看需要16位A/D芯片能獲得比較好的分辨率,但是考慮到16位A/D芯片較高的成本問題,因此筆者根據(jù)所從事產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域出發(fā)考慮,并結(jié)合自動化測量儀表技術(shù),設(shè)計(jì)了基于AD590和atmega系列單片機(jī)的寬范圍測溫電路,采用atmega單片機(jī)自帶10位A/D轉(zhuǎn)換功能,實(shí)現(xiàn)的 0.054℃/LSB的分辨率測溫,實(shí)現(xiàn)AD590在-55℃一+150℃全范圍的溫度測量。
圖1 AD590電流轉(zhuǎn)電壓電路
該電路設(shè)計(jì)思想是根據(jù)AD590測溫范圍,可以分為如表1所示的4檔溫度范圍。當(dāng)AD590感測不同檔位的溫度信號并轉(zhuǎn)化為電信號時,MCU控制可控開關(guān)使電信號通過不同溫度信號檔位調(diào)理電路,MCU根據(jù)采集調(diào)理后的溫度電壓信號找到正確的溫度檔位,使溫度信號在正確的調(diào)理電路中實(shí)現(xiàn)調(diào)理,從而使MCU正確采集溫度信號。
表1 AD590 4檔溫度劃分表
如圖2為電壓轉(zhuǎn)換電路,Vt為AD590經(jīng)過圖轉(zhuǎn)換而來的電壓信號,穩(wěn)壓二極管1N4735穩(wěn)壓輸出6.2V,調(diào)節(jié)電位器RV1,使中心調(diào)整端輸出V1=2.73V,如公式(3),經(jīng)過U2組成的差動放大器后輸出Vt2為:
則Vt2的值范圍-1.1V~3V,即對應(yīng)溫度-55℃~+150℃。根據(jù)表1的四個檔位對Vt2進(jìn)行調(diào)理,如圖3為第1檔電壓調(diào)理變換電路。Vt2的范圍為-1.1V~0V時,SW9閉合,Vt2電壓經(jīng)過U6組成的反向比例放大器得到Vt3的公式(4),則Vt3范圍為0~4.95V。
如圖4為第2~4檔電壓調(diào)理變換電路。Vt2的范圍為0V~1.1V時,SW8、SW10閉合,為第2檔電壓調(diào)理變換電路。Vt2、0V輸入U(xiǎn)3組成差分放大電路,Vt3輸出為公式(5)所得,則Vt3范圍為0~4.95V
Vt2的范圍為1.1V~2.2V時,SW2、SW10閉合,為第3檔電壓調(diào)理變換電路。Vt2,V3輸入U(xiǎn)3組成差分放大電路,Vt3輸出為公式(6)所得,V3=1.1V,則Vt3范圍為0~4.95V
圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路
圖3 檔位1——1.1~0V電壓轉(zhuǎn)換電路
Vt2的范圍為2.2V~3.0V時,SW1、SW10閉合,為第4檔電壓調(diào)理變換電路。Vt2,V2輸入U(xiǎn)3組成差分放大電路,Vt3輸出公式(7)所得,V2=2.2V,則Vt3范圍為0~3.6V
如圖5,Vt3經(jīng)過U8組成的電壓跟隨器,并經(jīng)過二極管D4、D5鉗位到0~5V范圍內(nèi),輸入到Atmega16的 ADC0引腳,單片機(jī)經(jīng)過對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、分析、存儲等處理,溫度數(shù)據(jù)可以通過串口將TTL信號轉(zhuǎn)換為232、485或無線信號發(fā)送到上位機(jī)。電位器RV4用于溫度精度的硬件校正。轉(zhuǎn)換電路中SW1、SW2、SW8、SW9、SW10為可控型開關(guān),可選用繼電器或模擬開關(guān),由Atmega16控制,這樣經(jīng)過單片機(jī)配合電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)寬電壓采集。
圖4 檔位2~4—0V~3.0V轉(zhuǎn)換電路
圖5 調(diào)理后溫度信號輸入單片機(jī)電路
如圖6所示為溫度采集軟件流程圖,采用的方式是從第4檔位開始采集溫度信號并轉(zhuǎn)化為電壓作A/D轉(zhuǎn)換,即從最高溫度采集轉(zhuǎn)換電路開始采集溫度信號,判斷電壓是否滿足第4檔電壓范圍,滿足第4檔電壓范圍就進(jìn)行軟件處理,如溫度補(bǔ)償、存儲。不滿足第4檔最低閾值電壓就轉(zhuǎn)第3檔溫度采集轉(zhuǎn)換電路采集判斷,不滿足條件依次降低檔位判斷,直到尋找到正確的檔位。溫度變化時,根據(jù)采集轉(zhuǎn)換的電壓判斷是否在現(xiàn)所處檔位的電壓范圍內(nèi),不在范圍內(nèi)就升檔或降檔再采集溫度信號判斷。溫度超出AD590最低和最高量程時,單片機(jī)產(chǎn)生報(bào)警信息報(bào)警。
圖6 軟件流程圖
通過采用以上多檔位采集轉(zhuǎn)換溫度電路結(jié)合atmega16單片機(jī)采集控制的方式,可以實(shí)現(xiàn)AD590的全范圍溫度采集,適用于工業(yè)現(xiàn)場的溫度采集。
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