基于單片機的數字式熱電偶傳感器設計

于劍超，董恩生，李清亮

(1.吉林大學計算機科學與技術學院，吉林長春130012;2.空軍航空大學飛控系，吉林長春130022)

0 引言

熱電偶傳感器具有結構簡單、工作可靠和測溫范圍寬等特點，在溫度測量中應用極為廣泛。熱電偶傳感器輸出的熱電勢信號小，通常為毫伏級，不適合遠距離傳輸;熱電偶傳感器需要進行冷端溫度補償，需要配接補償電橋或冷端補償器等裝置［1］，使用不方便;再有，熱電偶輸出的是模擬信號，因此不便于實現數字式測量。本文提出一種基于單片機的數字式熱電偶傳感器，實現方式是:首先對熱電偶輸出的熱電勢信號進行放大，然后由單片機對放大后的信號進行測量;同時利用單片機對熱電偶的冷端溫度進行測量，并根據冷端溫度對熱電偶自動進行冷端溫度補償;測量結果經過處理后轉換為RS232 串行信號向外輸出。根據此方法設計的數字式熱電偶傳感器具有工作可靠、傳輸距離遠、便于使用、價格低廉、實用性強等特點。

1 測量原理

由于熱電偶傳感器產生的熱電勢為毫伏級微弱信號，為了避免遠距離傳輸對信號造成干擾，在熱電偶的輸出端利用儀表放大器對該信號進行放大，并將放大后的信號送到單片機內置的A/D 轉換器，由單片機對熱電勢進行采集，獲得熱端溫度為T、冷端溫度為T0時的熱電勢EAB(T，T0)。當T0不等于0℃時，根據EAB(T，T0)查熱電偶分度表，所得到的熱端溫度T 存在溫度誤差，因此需要進行冷端溫度補償。所以單片機首先通過其內置的溫度傳感器獲得環境溫度即熱電偶冷端溫度T0，經查熱電偶分度表得到對應參考溫度為0℃時的熱電勢EAB(T0，0)，根據熱電偶中間溫度定律EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)，可以獲得熱端溫度為T，冷端溫度為0℃時的熱電勢EAB(T，0)，再通過查分度表，便可得到所測的熱端溫度T，從而實現了冷端溫度補償［2］。最后單片機將所測溫度T 經過串行通信接口轉換為串行數據，并經過串行通信芯片轉換為標準的RS232 串行通信格式進行遠距離傳輸。

2 硬件設計

熱電偶傳感器測量電路由單片機、毫伏信號放大電路、串行通信接口電路和電源電路組成，如圖1所示。

單片機(U3)采用的是C8051F352 型號單片機。該單片機具有8K 字節程序存儲器，768 字節數據存儲器，8 路16 位A/D 轉換器，1 個片內溫度傳感器，1個高精度的內部電壓基準，1 個高精度可編程的24.5 MHz 內部振蕩器和1 個異步串行通信接口［3］。片內溫度傳感器用于單片機芯片本身溫度的測量，而單片機芯片溫度與環境溫度近似相等，因此可用于熱電偶冷端溫度的測量。為了提高測量精度，A/D 轉換器工作在差分方式。放大后的熱電勢信號接到單片機的AIN0.0 和AIN0.1 端，由A/D 轉換器進行模數轉換。片內溫度傳感器在單片機內部經多路轉換器與A/D 轉換器連接，也由A/D 轉換器對溫度信號進行測量轉換。

毫伏信號放大電路由IAN118 儀表放大器U1、可調電位器R1及一些電阻和電容組成。IAN118 是一種低功耗，高精確度儀表放大器。通過電位器R1，可對放大器的增益在1 ～10000 范圍內進行調整［4］。放大器的增益G 可用公式表示為

式中:R1為電位器的阻值。

由于不同型號的熱電偶輸出信號范圍不同，所以可通過調整電阻值R1，使放大器的輸出信號符合單片機A/D 轉換器的要求。另外還需要對毫伏信號放大電路進行標定，以確定放大系數。

串行通信接口電路由MAX232 芯片(U4)，電容C13，C14，C15，C16及電阻R5，R6組成。單片機P0.4和P0.5腳分別為異步串行通訊接口的發送端和接收端，與MAX232 芯片對應的輸入和輸出端直接相連［5］。單片機發出的異步串行通信數據，經過MAX232 芯片后轉換為標準的RS232 串行通信格式，信號最大傳輸距離可達15 m，可以滿足一般傳輸距離的需求［6］。

電阻R3和電容C5，C11構成一個阻容濾波器，用來對AS117 穩壓塊(U2)的輸出電壓進行濾波，產生一個穩定的電源VDD，作為數字電路的工作電源。同理電阻R4和電容C6，C12構成另外一個阻容濾波器，用來產生一個穩定電源V+，作為模擬電路的工作電源。

3 軟件設計

圖1 熱電偶傳感器測量電路

圖2 單片機程序

軟件功能框圖如圖2所示。單片機首先執行初始化程序，對單片機的系統時鐘、內部電壓基準、I/O口輸出功能、A/D 轉換采樣通道和采樣頻率、異步串行通信接口的通信方式和通信速率等進行設置;然后運行熱電勢信號采集程序，采集放大后的熱電勢，再除以毫伏信號放大電路的放大系數，得到熱電偶輸出的熱電勢EAB(T，T0);運行冷端溫度采集程序，獲得冷端溫度T0;然后進行查表計算，對冷端溫度進行補償，得到準確的測量溫度;最后通過串行接口發送所測溫度。

4 實驗驗證

該數字式熱電偶傳感器的測量誤差分為兩部分:一部分是熱電偶本身所具有的誤差，這取決于所選熱電偶的級別和型號;另外一部分是測量電路所帶來的誤差，包括毫伏信號放大電路、AD 轉換環節以及冷端溫度補償環節等所產生的誤差。為了驗證所設計的測量電路的測量精度，對一塊適用于S 型熱電偶的測量電路進行了測試。具體方法是:利用溫度計測量出當時的熱電偶冷端溫度T0，并根據S 型熱電偶分度表查出對應的熱電勢EAB(T0，0)，再根據熱電偶中間溫度定律EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)，計算出EAB(T，T0)。利用一臺高精度毫伏發生器，對測量電路發送一定溫度T 對應的熱電勢EAB(T，T0)，然后利用一臺PC 機接收測量電路發出的溫度數據T'。對比T 和T '，即可得到測量電路產生的測量誤差。實測數據如表1所示。實驗表明，該測量電路在給定溫度點上產生的測量誤差均小于0.14℃，而II級S 型熱電偶的最大允許誤差為±0.25% t(t 為測量溫度)，例如，所測溫度為600℃時產生的誤差為±1.5℃，可見該測量電路所產生的測量誤差可完全忽略不計。

表1 測量數據(冷端溫度T0=20℃，EAB(T0，0)=0.113 mV)

5 結束語

本文所介紹的熱電偶測量電路，由于具有冷端溫度補償功能，不需額外冷端溫度補償裝置，使用極為方便。熱電偶輸出的熱電勢信號，由測量電路直接測量，無需考慮連接電纜對信號傳輸造成的影響。測量結果以RS232 串行信號方式進行傳輸，解決了信號傳輸過程中抗干擾問題，提高了信號的傳輸距離。測量電路提供的串行通信接口可方便地經RS232 接口，或經過RS232 轉USB 接口與任何PC 機連接，實現測量結果的數字顯示。任何型號的熱電偶傳感器配備上與之匹配的測量電路，即實現測量結果的數字輸出，所以這種數字式熱電偶傳感器具有很好的應用前景。

［1］梁森.自動檢測技術及應用［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］陶紅艷.傳感器與現代檢測技術［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［3］鮑可進.C8051F 單片機原理與應用［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］BURR-BROWN.INA118 儀表放大器使用說明書［Z］.1998.

［5］Maxim Integrated Products.MAX232 Multichannel RS-232 Drivers/Receivers Instruction［Z］.2003.

［6］于相斌.電感式傳感器測量轉換模塊的設計［J］.傳感器與微系統，2010(3):77-78.