無(wú)線通訊自動(dòng)檔測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

盧 珍

（廣州城市理工學(xué)院 廣州 510800）

1 引言

溫度作為表征物體冷熱程度的物理量，是各種工藝生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍、非常重要的熱工參數(shù)之一。許多產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能量和過(guò)程控制等都直接與溫度參數(shù)有關(guān)。因此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度測(cè)量具有十分重要的意義。

AD595是AD公司（Analog Devices）生產(chǎn)的一款熱電偶放大器，適用于K型熱電偶，它結(jié)合了一個(gè)預(yù)先校準(zhǔn)零度的放大器直接從熱電偶信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)10mV/°C的高電平輸出。AD595種類(lèi)很多，按照測(cè)溫精度可分為AD595aq、AD595ADZ等，其中AD595ADZ測(cè)溫精度可達(dá)到千分之一。AD595測(cè)溫范圍廣，可測(cè)量-200℃~1250℃的溫度。基于AD595設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度寬范圍的測(cè)溫。AD595作為集完整的儀表放大器和熱電偶冷端補(bǔ)償器于一體的芯片，具有測(cè)溫精度高、測(cè)溫范圍廣、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。目前在基于AD595測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，主要采用與生產(chǎn)、科研設(shè)備結(jié)合采用有線通訊的方式，不僅導(dǎo)致設(shè)備布局布線時(shí)的復(fù)雜性，而且隨著設(shè)備的老化也會(huì)出現(xiàn)測(cè)溫精度和靈敏度下降的現(xiàn)象。

測(cè)溫系統(tǒng)通常作為必不可少的設(shè)備健康工作監(jiān)視模塊應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備當(dāng)中［1~7］，由于這些設(shè)備集成度較高、工作環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備老化程度較快，因此設(shè)計(jì)體積小、可實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸、獨(dú)立的測(cè)溫系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。

2 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)

無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)［8~9］作為獨(dú)立的子機(jī)構(gòu)，具有獨(dú)立的電源模塊、信號(hào)處理控制模塊、信號(hào)傳輸模塊。電源模塊是無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的基本模塊，為系統(tǒng)中各芯片提供合適的電壓?；谛⌒突瓌t，電源模塊包括三個(gè)器件，分別是LT1763-5V、LT3060-3.3V、金勝陽(yáng)DC-DC。這三個(gè)電源模塊是在滿足整體器件功耗條件下體積最小的電源模塊，其中LT1763-5V為L(zhǎng)T3060-3.3V、金勝陽(yáng)DC-DC提供輸入電源，為單片機(jī)提供穩(wěn)壓電源。LT3060-3.3V為單片機(jī)提供電源。金勝陽(yáng)DC-DC為AD595、op07提供±15V的電源。信號(hào)傳輸模塊可現(xiàn)實(shí)對(duì)信號(hào)的遠(yuǎn)距離高穩(wěn)定性無(wú)線傳輸。信號(hào)處理控制模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)加減法和除法進(jìn)行檔位變換，由AD595、OP07、4選1多檔開(kāi)關(guān)、C8051F340單片機(jī)組成的信號(hào)控制處理回路。其中AD595用于采集信號(hào)溫度信息并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)、4選1多檔開(kāi)關(guān)在單片機(jī)的控制下改變OP07連接電路。

為了設(shè)計(jì)高精度、小型化、無(wú)線通訊、獨(dú)立可更換的測(cè)溫系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了基于AD595且利用藍(lán)牙進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸（無(wú)障礙傳輸可達(dá)30M）的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)［10~12］。在提高測(cè)溫系統(tǒng)精度上提出利用自動(dòng)擋通過(guò)改變測(cè)溫范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)精度的提高，業(yè)界雖然有人提出了利用變阻器進(jìn)行升壓和分壓來(lái)提高測(cè)量精度的思想［13~14］，但變阻器的調(diào)劑比較麻煩不利于工程實(shí)踐應(yīng)用。在將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值的算法上面，本文根據(jù)AD公司提供的AD595溫度-電壓分度表，觀察其走勢(shì)提出分三段擬合的方法，有些文章雖提出了對(duì)溫度-電壓分度表采用兩段切比雪夫擬合的方法［15］，但其公式并不能很好地反映溫度-電壓走勢(shì)，局部誤差較大，造成部分范圍測(cè)溫的不準(zhǔn)確。

3 影響AD轉(zhuǎn)換精度的因素

利用熱電偶和AD595測(cè)溫，可以實(shí)現(xiàn)高精度和寬范圍的測(cè)量。AD595的測(cè)量范圍是根據(jù)芯片兩端輸入的電壓來(lái)確定的，當(dāng)兩端只加入正電壓時(shí)，測(cè)量的溫度范圍為正。當(dāng)芯片的負(fù)輸入端加入負(fù)電壓時(shí)，可以測(cè)量零度以下的電壓。并且根據(jù)輸入的電壓大小，溫度的測(cè)量極限值也不同。

AD595在加入±15V條件下，測(cè)量的溫度范圍是-200°~1250°（AD595的極限測(cè)量范圍），對(duì)應(yīng)的熱電偶電壓為-5.891mV~50.633mV，而對(duì)應(yīng)的AD595信號(hào)輸出電壓為-1.454V~12.524V，對(duì)于現(xiàn)有的集成AD轉(zhuǎn)換功能于一身的芯片，比如說(shuō)本文應(yīng)用到的C8051F340單片機(jī)來(lái)說(shuō)其存在兩方面的問(wèn)題。

問(wèn)題一：AD595輸出電壓過(guò)高，一般的芯片在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時(shí)基準(zhǔn)電壓最大為+5V，而AD595輸出的電壓最大值≥15V，所以為了實(shí)現(xiàn)對(duì)寬范圍溫度的測(cè)量（測(cè)量溫度最大值大于等于50℃，而50℃時(shí)對(duì)應(yīng)的AD595輸出信號(hào)電壓為5V）不免要用到放大器的分壓電路，但分壓后信號(hào)因?yàn)榉底冃?，就?huì)降低信號(hào)的精確度，測(cè)量范圍越大，精確度越低。

問(wèn)題二：AD595的測(cè)量范圍是-200℃~1250℃，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為-1.454V~12.524V。在需要測(cè)量零度以下溫度的情況下，容易發(fā)現(xiàn)其輸出電壓存在嚴(yán)重的不對(duì)稱(chēng)性，正向最大輸出信號(hào)電壓（12.524V）是負(fù)向最大輸出電壓（-1.454V）的8.61倍，而芯片的AD轉(zhuǎn)換輸入部分，可測(cè)量的的信號(hào)電壓范圍是-VREF~+VREF，也就是說(shuō)對(duì)于AD595測(cè)溫電路從-VREF~-1.454V區(qū)段AD轉(zhuǎn)換信號(hào)是空置的，嚴(yán)重浪費(fèi)了AD轉(zhuǎn)換測(cè)量信號(hào)的資源。并且在AD轉(zhuǎn)換過(guò)程當(dāng)中，如果只提供正向電壓的轉(zhuǎn)化，那么轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)的最高位表示的是信號(hào)，但如果需要進(jìn)行正負(fù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，那么轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)的最高位表示的是符號(hào)位，因此AD轉(zhuǎn)換的精度將減半。以C8051F340為例，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換（8位轉(zhuǎn)換）被設(shè)置為只進(jìn)行正電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)，其輸入電壓的計(jì)算方式為0—VREF×1023/1024，但當(dāng)AD轉(zhuǎn)換部分被設(shè)置為進(jìn)行正負(fù)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，其輸入電壓的的計(jì)算方式為-VREF×511/512—VREF×511/512。

本文的設(shè)計(jì)，立足于最簡(jiǎn)單系統(tǒng)，在同條件下可測(cè)得最高精度。在簡(jiǎn)化電路，利用芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換，不外設(shè)AD芯片情況下，上述兩個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的測(cè)量精度。

4 升壓電路的設(shè)計(jì)

基于以上提出的兩個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了圖1所示的電路系統(tǒng)。

在圖1的電路中，對(duì)AD595輸出的信號(hào)做了如下的處理，首先從芯片電源引出一個(gè)正向穩(wěn)定電壓作為升壓源，利用放大器與AD595信號(hào)組成升壓電路，把負(fù)信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為正向信號(hào)。然后利用其后面的分壓電路，將信號(hào)降至芯片AD轉(zhuǎn)換信號(hào)接收的電壓范圍之內(nèi)。AD單升壓電路可以成功地將正負(fù)電壓范圍內(nèi)的信號(hào)，全部轉(zhuǎn)換為正電壓范圍內(nèi)的信號(hào)，從而使轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)的精度提高一倍。

在以上的電路基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步改進(jìn)電路，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。如圖2所示。

在圖2中，通過(guò)給變阻器R21提供一個(gè)輸入電壓，組成與測(cè)量信號(hào)的加減法測(cè)量電路，通過(guò)加減法電路調(diào)節(jié)，將需要測(cè)量范圍內(nèi)的信號(hào)電壓調(diào)節(jié)至從零伏電壓到最大電壓信號(hào)的形式，比如說(shuō)想測(cè)量600℃~1200℃范圍內(nèi)的溫度，那么調(diào)節(jié)電壓可設(shè)置為-6.161V（600對(duì)應(yīng)的輸出電壓為+6.161V），將600℃對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)調(diào)節(jié)至0V，然后通過(guò)電路后面的分壓電路R12、R25將信號(hào)調(diào)節(jié)至可轉(zhuǎn)換的模數(shù)電壓范圍之內(nèi)。從而充分利用電路中AD轉(zhuǎn)換部分的電壓范圍，進(jìn)一步提高了溫度的測(cè)量精度。圖2所示的AD595多調(diào)節(jié)升壓電路中，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)測(cè)量范圍的高精度測(cè)溫電路。

圖2 AD595多調(diào)節(jié)升壓電路

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證升壓系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)精度的提高，本文特別制作和測(cè)量了對(duì)溫度信號(hào)直接采集系統(tǒng)（如圖3所示）和單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)，并對(duì)它們采集到的信號(hào)進(jìn)行了相同的濾波處理。圖4和圖5分別為兩個(gè)系統(tǒng)在-20℃、100℃、500℃和900℃時(shí)采集的信號(hào)波形圖。

圖3 溫度信號(hào)直接采集系統(tǒng)

圖4 溫度信號(hào)直接采集系統(tǒng)采集的信號(hào)

圖5 單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)采集的信號(hào)

為去除放大器引入的干擾，采集的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)中指濾波和均值濾波的處理。數(shù)據(jù)處理后，然后根據(jù)K型熱電偶的分度表，采用二階擬合的方法進(jìn)行分段擬合，得到K型熱電偶輸出電壓對(duì)應(yīng)溫度的近似表達(dá)式如下。

在-20℃~400℃時(shí)：

在400℃~1200℃時(shí)：

式（1）、（2）中Vout表示AD595輸出電壓，T表示測(cè)量的溫度。

而對(duì)Vout的計(jì)算，因?yàn)樵跍囟刃盘?hào)直接采集系統(tǒng)和單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)放大器對(duì)電壓調(diào)節(jié)不同，所以現(xiàn)在分別對(duì)其輸入輸出電壓進(jìn)行一階擬合，得到如下公式。

在溫度信號(hào)直接采集系統(tǒng)中：

在單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)中：

其中Vin是C8051單片機(jī)接收的輸入電壓。

通過(guò)對(duì)圖4和圖5對(duì)比分析，可以看出單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)在很大程度上提高了所測(cè)溫度的精度值。在-20℃時(shí)，直接測(cè)溫系統(tǒng)的溫度偏差為1.5℃，而在均值濾波后單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)的偏差在0.7℃左右。而在100℃和500℃，直接測(cè)溫系統(tǒng)的溫度偏差分別在0.2℃和0.4℃左右，而單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)則基本無(wú)偏差。900℃時(shí)直接測(cè)溫系統(tǒng)的溫度偏差有1℃，單調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)溫度偏差只有0.4℃。

再對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的測(cè)溫圖進(jìn)行縱向比較，我們可以發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)所能測(cè)到的極值-20℃和900℃，系統(tǒng)測(cè)得的溫度偏差比較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，在低溫時(shí)，由于信號(hào)電壓太小，所以放大器引入的雜波對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的影響比較大，而在高溫階段，由于放大器工作頻率變大，所以噪聲也隨之變大。

6 結(jié)語(yǔ)

可調(diào)節(jié)升壓測(cè)溫系統(tǒng)的引入，使得設(shè)計(jì)的電路資源利用更加充分，電路測(cè)得的溫度更加精確，測(cè)溫電路的縮小化和精確化方面也得到了進(jìn)一步的提高。但如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，怎么使測(cè)溫系統(tǒng)在極值所測(cè)得的溫度精確度進(jìn)一步提高，還有待研究。