基于ＡＤ５９０傳感器的溫度測量系統電路設計

胡　志

[摘要]介紹一種新型的簡易溫度測量系統電路。該系統采用一種新的電流/脈寬轉換電路,與常用的溫度測量系統比較,具有測量范圍廣、精度高、構成簡單、成本低廉等優點。

[關鍵詞]AD590傳感器555集成電路溫度測量系統

中圖分類號:TN7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710011-01

一、引言

目前工業上溫度測量系統存在下列問題:(1)存在電壓信號損失和噪聲干擾問題;(2)系統精度由A/D轉換器的精度決定,要想提高精度就需要采用高精度的A/D轉換器,從而使系統成本增加;(3)A/D轉換器同后續的單片機接口時,占用的數字資源較多;(4)使用A/D轉換器使外圍電路復雜。為解決常用測量方案中存在的問題,本文采用電流輸出型傳感器AD590來避免信號損失、噪聲干擾問題和電流/脈寬轉換電路代替A/D轉換器,通過測量脈寬可以測量電流信號。

二、溫度測量系統電路

系統電路主要由電流輸出型傳感器AD590、555集成電路和8051單片機3部分組成(如圖1)。

圖1 溫度測量系統電路圖圖2 電流/脈寬轉換電路圖

該溫度測量系統采用集成溫度傳感器AD590。AD590是電流輸出型溫度傳感器,以電流輸出量作為溫度指示,其電流溫度靈敏度為1μA/K。由于它的輸出電流正比于絕對溫度,故可以作為精確的溫度測量元件,而且內阻極高,適合遠距離測量。AD590只需要一個電源(+4～+30V),即可以實現溫度到電流源的轉換。AD590的校準精度可達0.5℃,當其在常溫區范圍內校正后,測量精度可達0.1℃.在全溫區范圍(-50℃～+150℃)使用,精度也可高達1℃。0℃時流過AD590的電流為273.2μА,溫度每變化1℃,其流過的電流變化1μA,即AD590所處溫度為X時,流過它的電流為:I=(273.2+X)μA。因此,可以通過本文設計的電路測量脈寬來求得電流I,進而求得溫度X。在該電路中I=K/T1,所以:X=(K/T1一273.2)℃,(其中K=C1*Vcc/3為比例系數)。

其中T1是通過單片經來測量的。利用555集成電路設計的高性能的電流/脈寬轉換電路,結構簡單,對外圍元件性能要求不高。555集成電路的輸出引腳3連接到單片機的INTO腳,實現了對脈寬T1的測量。

三、簡易的電流/脈寬轉換電路

(一)電路的結構和原理。電流/脈寬轉換電路由一塊555集成電路實現,電路結構如圖2。傳感器AD590的輸出連接到555電路的7,2,6端,555電路的輸出端3就可以輸出脈沖電壓信號。電流/脈寬轉換電路的工作原理為:555電路工作在多諧振蕩方式下,其放電端7,閾值端6,觸發端2同連在A點。當電容C1上(A點)的電位低于Vcc/3時,即555電路的2端電位低于Vcc/3,其內部的放電管截止,放電端7于其內部電路斷開,此時傳感器模塊的輸出電流I對電容C1充電。這個過程可以看作一個恒定電流對電容充電過程,于是A點電位隨著電容C1的充電而線形地上升(設充電期為T1)。在此期間555電路的輸出端3輸出高電平。當A點的電位上升到2Vcc/3時,555內部的放電管導通,放電端7相當于與內部一個小電阻相連接并接地。于是A點電位隨著電容C1的迅速放電而快速下降(設放電期為T2),在此期間555的輸出端3輸出低電平。當A點電位隨著電容C1的放電而下降到低于Vcc/3時,又將重復前過程。如此循環,便形成周期性的脈沖信號輸出。

由于A點的電位在Vcc/3～2Vcc/3之間變化,即電容上的電壓幅值在2Vcc/3～Vcc/3=Vcc/3之間變化,所以充電期T1為:

T1=C1/*Vcc/3*I(1)

電容C1放電時,其電位在2Vcc/3～Vcc/3之間變化,所以放電期T2為:

T2=0.693*R*C1(2)

式中,R為555電路內部放電管導通時的等效電阻。

在圖2中,電流I與充電時間T1有著確定的關系,即電路輸出的瞬時高電平脈寬與輸入電流成反比。該電路的輸出連續的跟蹤輸入電流,直接響應輸入電流的變化,實現了電流/脈寬轉換。

(二)電路參數的選取。電流/脈寬轉換電路(圖2)中,充電時間為T1。由(1)式T1=C1/*Vcc/3*I可知道,若C1和Vcc為定值,則可以通過測量T1求得I值。T1的大小可以通過8051單片機進行測量。若單片機的系統時鐘采用12MHz晶振,其定時器最小分辨率為1μs。由(1)式可知,I=K/T1,其中K=C1*Vcc/3為比例系數。下面在一組電路參數下對標準電流(4～20mA)測量結果及分析。

電路參數:Vcc=5V,C1=47μF,則K=78333μs·mA。

T1用普通8051單片機測量,系統晶振為12MHz。但傳感器的輸出電流I=4mA時,T1=19583μs;當I=20mA時,T1=3917μs。其最大有效位數為l3(19583-3917=15666>213)由于I與T1成反比,所以在I=20mA時有效分辨率最低,但優于11位分辨率。因為:78333/(20-2O/211)-78333/20>lμs,所以系統總體分辨率優于11位A/D轉換器性能。

若設系統的總體分辨率為n,則

K(20一20/2n)一K/20>I (3)

所以:n=log2K～log220 (4)

式中,K=C1*Vcc/3。由式(3)、(4)可知道,增大C1和Vcc,可以提高系統的總體分辨率。Vcc的選取受電路所在系統和555集成電路的供電電壓限制。顯然,電容C1越大則分辨率越高;但電容C1過大,會引起瞬時放電電流過大,燒壞555芯片。電容增大也會影響系統的另外一個性能,即響應時間增大;因此在實際的系統中,應該綜合考慮各方面來選取合適電容。

上面的討論是基于工業上的標準電流(4-20mA)的測量進行的討論,得到電容C1的取值趨向。一般地,當電流在毫安級時,電容C1的數值可以在1-100pF選取;當電流在微安級時,電容值過大則會使響應時間過長,所以應選小一些,可在0.01-0.1μF選取。但電容值也不能過小,否則會由于放電時間太短(小于1μs)使單片機不能區分高低電平,造成測量失效。

四、結束語

本溫度測量系統采用一種新的電流/脈寬轉換電路。該電路測量范圍廣,精度高,對環境適應能力強,在工業測控、生活環境等領域都有廣泛的用途。

參考文獻:

[1]劉篤仁、韓保君,傳感器原理及應用技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.

[2]肖景和,555集成電路應用精粹/集成電路應用叢書[M].北京:人民郵電出版社,2007.