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工业用便携式低功耗高精度数字温度计设计 |
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作者：戴欣荣 陈璐怡 |
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1、引言
在冶金、石油、化工、机械制造和国防等行业中，往往需要测量－200℃～1000℃气体、液体等环境中的温度。以前一般采用玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电偶、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。其中热电偶的温度测量范围较宽，它无需使用驱动电源即可直接产生电压（温差电势）信号，该信号既可用直流测量仪器（如电位差计、数字电压表、毫伏计等）读取，以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度；也可以用线性校正电路将小信号电压放大后，通过显示仪表的刻度读数。在某些输油、输气管道应用中，往往要求对温度进行长时间监测，且要求能够快速准确地读数。此时，上述各类温度计则难以胜任。而如果将热电偶产生的热电动势转换成数字信号后由单片机进行数据处理，并通过液晶来显示其温度结果，这种方法反应迅速，测量精度高，功耗小，显示直观。因此，由热电偶、A/D转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作，且便于实现小型化设计。
图1 便携式低功耗高精度数字温度计原理图
2、硬件电路设计
在测量过程中，热电偶产生的一般是相对于冷端的温差电动势。工业标准一般规定冷端的温度为0℃。而在实际使用中，将冷端放入冰水混合物中并不方便。如果本地温度不为0℃，则温差电动势就可能偏大或偏小。因此，实际电路通常需要对温差电动势进行温度补偿。本系统采用AD7416来测量本地温度，并根据分度表计算出对应的补偿电压。其真实温度的温差电动势等于测得的电动势与补偿电压之差。
该便携式低功耗、高精度数字温度计的整个系统由四部分组成：第一是热电偶；第二是AD7705、AD589组成的数据采集电路，其中A／D转换电路的作用是将热电偶产生的热电动势转换为数字信号；第三部分是AD7416，由它可测量冷端温度，并由此计算出补偿电压；第四部分是MSP430F413和六位笔段式液晶显示器组成的控制和显示电路。具体的电路原理图如图1所示。为了达到低功耗高精度之目的，本设计方案中所选的芯片都具有低功耗模式，可以在测量间隙工作于省电模式。下面对各部分电路加以具体说明。
2.1 热电偶
本设计中选用K型或J型镍铬－铜镍（康铜）热电偶。它们比较适用于氧化及弱还原性环境中的测温系统，其测温范围为－200℃～1000℃，热电动势范围为－9.835mV～76.358mV，由于这些热电偶具有稳定性好，灵敏度高，价格低廉等优点，因而非常适合于便携式测温仪表的使用。图2为镍铬－铜镍（康铜）热电偶的热电动势－温度曲线，经过分析，其准确度可达±0.1℃，在－150℃时，其灵敏度可达38μV／℃。
图2 镍铬－铜镍（康铜）热电偶热电动势－温度曲线
2.2 数据采集电路
在这一部分电路中，AD7705是用于低频测量系统的前端器件，它分辨率高，且有节电模式，能够满足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片内还有数字滤波电路、校准电路和补偿电路，因而能更好地保证高精度的实现温度测量。
AD7705使用2.7V～3.3V单电源，它有两个模拟差分输入通道，在电源为3V、参考电压为1.235V的情况下，双极性输入信号的最大幅度范围为0～±10mV（Gain＝128）到0～±1.235V（Gain＝1）。另外，AD7705还可直接接收传感器产生的小信号以进行A／D转换并输出串行数字信号。它采用Σ－Δ技术来实现16位A／D转换。采样速率由MCLKIN端的主时钟和放大器的可变增益来决定。实际上，AD7705同时可以对输入信号进行片内放大、调制转换和数字滤波处理。其数字滤波器的阻带可编程控制，以便调节滤波器的截止频率和输出数据更新速率。
此滤波器的响应类似于中值滤波器的响应，但下降沿更为陡峭。由于数字滤波器的输出速率和滤波器幅频响应的第一个凹点频率一致。因此，当输出速率为25Hz时，滤波器第一个凹点也为25Hz。另外，（sinx／x）3滤波器也能抑制第一个凹点频率的谐波成分，抑制量大于40dB。当FS0和FS1分别为0，1时，其输出速率和第一凹点频率为25Hz，－3dB点时为6.55Hz。如果被测环境温度变化缓慢，那么在模数转换过程中，该电路便能有效抑制大于6.55Hz的干扰信号，其中包括50Hz的干扰信号。
当AD7705工作电压为3V，片内可编程放大器增益设置为1时，A／D的精度为16位，最小分辨电压为37.69μV（1.235V×2／65536）。而热电偶每变化1℃（－150℃～1000℃）的输出热电动势变化为38μV～81μV／℃，大于AD7705的最小分辨电压。所以，系统的分辨率可达到1℃，能够满足绝大多数工业测量要求。由于AD7705可直接对－0.6175V～0.6175V电压进行模数转换，因此，当热电偶测量小于0℃的温度且热电动势小于0V时，它不需额外的电路也能正常工作。
AD589是AD7705的电压参考源。AD589是价格低廉的双端器件，它能提供带有温度补偿特性的1.235V带隙参考电压输出。其片内元件匹配和热跟踪特性使AD589具有很高的稳定性。此外，AD589的输出阻抗比普通的低温度系数齐纳二极管低10倍，因此，即使负载发生变化，该电路也可以在无需外部器件的情况下维持很高的精度。
2.3 用AD7416测量冷端温度
AD7416是一个完整的单片温度监控系统，其测温范围为－55℃～125℃。该器件内含一个带隙温度传感器和一个10位A／D转换器，其中A／D转换器用于监控温度并将温度值数字化，可达到0.25℃的分辨率。本文介绍的数字温度计选用AD7416来测量本地温度，并可在热电偶参比端温度不为0℃时，输出所需补偿的电压值。
2.4 控制和显示电路
MSP430F413是德州仪器公司生产的一款超低功耗单片机，其电压范围为1.8～3.6V，由于MSP430F413片内包含多种功能模块（如锁频环路、定时器、看门狗、比较器、液晶驱动电路和输入输出端口等），因此可适合不同应用场合的需要。它的低功耗和低电压特性特别适用于电池供电的便携式仪器。MSP430F413通过P1.4、P1.5、P1.6分别与AD7705的SCLK、DIN、DOUT相连以构成三线接口。当P1.3为低时，选中AD7705以完成启动A／D转换、校准、读取数据的功能。一旦A／D转换结束，即可由P1.7读到DRDY引脚的电平变化，从而使系统作出应用反应。通过P6.5、P6.4与AD7416构成的I2C总线可以采集本地温度数据。
MSP430F413的P3、P4、P5口均有第二功能作用，它们除作为普通的I／O口外，还可以驱动具有四个COM口的24个段引脚的液晶模块。在本设计中，其显示部分采用六位笔段式液晶显示器。引脚R33、R23、R13和R03间的三个1MΩ电阻分压器可为液晶显示提供参考偏置电压。每个字符的尺寸为15mm×10mm，因此可方便地在一定距离上读出数据。
此外，在P1.0、P1.1、P1.2三个引脚上分别接一个按键，可设置为中断方式，并通过这三个按键设置系统的采样时间间隔、门限值以及控制系统进入低功耗状态或工作状态。
单片机的时钟信号由32.768kHz晶振和片内振荡电路产生，因此，降低了功耗。看门狗电路可保证程序长时间的正常运行。
若系统每10秒采集一次数据，则整个系统一周期内的平均电流为103.2μA。如果整个系统使用3V／1Ah的电池供电，系统可以连续工作13个月。如果降低数据采集频率，还可以进一步延长电池寿命。
3、软件及系统实验
本数字温度计系统软件由数据采集程序、定时器中断服务程序（入口地址为0FFE0h，优先级为0）、看门狗中断服务程序（入口地址为0FFF4h，优先级为10）、按键中断服务程序（入口地址为0FFE8h，优先级为4）、液晶显示程序和热电偶分度表数据组成。
系统中的单片机工作时处于激活模式，工作间隙可设定为低功耗模式2以降低功耗，达到延长电池寿命之目的。
由于MSP430F413片内的ROM只有8k字节，它不可能完全存储分度表的数据，因此，在一定的误差范围内，对于近似线性部分，可以用折线段分段逼近。对于曲率较大的曲线部分，则可用切比雪夫近似表达式编程计算。
由于在工业环境中，被测环境温度和本地温度不会发生突变，因此，可以每隔一段时间间隔对温度进行一次测量显示。数据采集程序的算法具有自适应特性，因此，当某一温度在单位时间间隔内变化超过设定的门限值时，MSP430F413将缩短采样时间间隔以加快采样频率，并通过蜂鸣器U1和发光二极管D1发出声光报警信号。实验表明，AD7416的灵敏度较高，并可对本地温度数据采用平滑滤波的方法来减小误差。
MSP430F413单片机的程序可用C语言编写，该程序具有很强的可读性和可移植性。用IAR公司的IAREmbedded Workbench和IARC－SPYdebugger可以将程序编译成机器代码。IAREmbedded Workbench系统软件中包含有MSP430F413单片机头文件msp430x41x.h和in430.h，文件中定义了片内的特殊功能寄存器名称、工作模式、输入输出寄存器、定时器、系统时钟、电源管理、比较器、液晶显示寄存器、看门狗定时器、中断向量和库函数。利用计算机可通过MSP430 Flash Emulation Tool的JTAG接口将程序代码写入片内Flash ROM中。由于MSP430F413单片机的JTAG接口支持在线编程，因此，编写程序非常方便，同时也很容易对现有的程序进行升级。
系统的主流程图和定时器中断服务程序数据采集流程图如图3所示。
图3 系统主流程和定时器中断服务程序数据采集流程图
4、结束语
该系统的精度和分辨率主要取决于传感器及A／D芯片的精度和分辨率。由于应用中使用数字化不可能完全消除误差，因此，测量温度时还要注意消除由冷端温度或冷端补偿产生的误差以及连接补偿导线的误差，同时应注意电路误差和由于噪声、绝缘电阻、热电阻等引起的误差等。根据实际需要，可采用高稳定性的热电偶和精度为1℃的本地温度传感器，这样可以在一定的温度范围内提高精度。
本系统以MSP430F413、AD7705为核心实现了低功耗高精度便携式温度计的设计。对于便携式仪器，本设计实现了低成本宽测温范围条件下的低功耗高精度要求，具有一定的实用价值。目前此电路已投入应用，实践表明，整个便携式低功耗高精度数字温度计使用方便，工作稳定，待机时间长，具有广阔的应用前景。
(end)
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(10/22/2006) |
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