數(shù)字溫度計(jì)應(yīng)用電路原理圖

　　在冶金、石油、化工、機(jī)械制造和國(guó)防等行業(yè)中，往往需要測(cè)量－200℃～1000℃氣體、液體等環(huán)境中的溫度。以前一般采用玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、熱電偶、熱電阻和非接觸式溫度計(jì)等進(jìn)行溫度測(cè)量。其中熱電偶的溫度測(cè)量范圍較寬，它無(wú)需使用驅(qū)動(dòng)電源即可直接產(chǎn)生電壓（溫差電勢(shì)）信號(hào)，該信號(hào)既可用直流測(cè)量?jī)x器（如電位差計(jì)、數(shù)字電壓表、毫伏計(jì)等）讀取，以通過(guò)熱電偶溫度特性分度表查出對(duì)應(yīng)的溫度；也可以用線性校正電路將小信號(hào)電壓放大后，通過(guò)顯示儀表的刻度讀數(shù)。在某些輸油、輸氣管道應(yīng)用中，往往要求對(duì)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，且要求能夠快速準(zhǔn)確地讀數(shù)。此時(shí)，上述各類溫度計(jì)則難以勝任。而如果將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)液晶來(lái)顯示其溫度結(jié)果，這種方法反應(yīng)迅速，測(cè)量精度高，功耗小，顯示直觀。因此，由熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和液晶模塊組成的數(shù)字式低功耗高精度溫度計(jì)可以代替各種機(jī)械式溫度計(jì)來(lái)完成特殊情況下的溫度測(cè)控工作，且便于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　在測(cè)量過(guò)程中，熱電偶產(chǎn)生的一般是相對(duì)于冷端的溫差電動(dòng)勢(shì)。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定冷端的溫度為0℃。而在實(shí)際使用中，將冷端放入冰水混合物中并不方便。如果本地溫度不為0℃，則溫差電動(dòng)勢(shì)就可能偏大或偏小。因此，實(shí)際電路通常需要對(duì)溫差電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該便攜式低功耗、高精度數(shù)字溫度計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)由四部分組成：第一是熱電偶；第二是AD7705、AD589組成的數(shù)據(jù)采集電路，其中A／D轉(zhuǎn)換電路的作用是將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；第三部分是AD7416，由它可測(cè)量冷端溫度，并由此計(jì)算出補(bǔ)償電壓；第四部分是MSP430F413和六位筆段式液晶顯示器組成的控制和顯示電路。具體的電路原理圖如圖1所示。為了達(dá)到低功耗高精度之目的，本設(shè)計(jì)方案中所選的芯片都具有低功耗模式，可以在測(cè)量間隙工作于省電模式。下面對(duì)各部分電路加以具體說(shuō)明。

　　圖1 便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)原理圖

　　熱電偶

　　本設(shè)計(jì)中選用K型或J型鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶。它們比較適用于氧化及弱還原性環(huán)境中的測(cè)溫系統(tǒng)，其測(cè)溫范圍為－200℃～1000℃，熱電動(dòng)勢(shì)范圍為－9.835mV～76.358mV，由于這些熱電偶具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合于便攜式測(cè)溫儀表的使用。圖2為鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)－溫度曲線，經(jīng)過(guò)分析，其準(zhǔn)確度可達(dá)±0.1℃，在－150℃時(shí)，其靈敏度可達(dá)38μV／℃。

　　圖2 鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)－溫度曲線

　　數(shù)據(jù)采集電路

　　在這一部分電路中，AD7705是用于低頻測(cè)量系統(tǒng)的前端器件，它分辨率高，且有節(jié)電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片內(nèi)還有數(shù)字濾波電路、校準(zhǔn)電路和補(bǔ)償電路，因而能更好地保證高精度的實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。AD7705使用2.7V～3.3V單電源，它有兩個(gè)模擬差分輸入通道，在電源為3V、參考電壓為1.235V的情況下，雙極性輸入信號(hào)的最大幅度范圍為 0～±10mV（Gain＝128）到0～±1.235V（Gain＝1）。另外，AD7705還可直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號(hào)以進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號(hào)。它采用Σ－Δ技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)16位A／D轉(zhuǎn)換。采樣速率由MCLKIN端的主時(shí)鐘和放大器的可變?cè)鲆鎭?lái)決定。實(shí)際上，AD7705同時(shí)可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行片內(nèi)放大、調(diào)制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理。其數(shù)字濾波器的阻帶可編程控制，以便調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)更新速率。

　　此濾波器的響應(yīng)類似于中值濾波器的響應(yīng)，但下降沿更為陡峭。由于數(shù)字濾波器的輸出速率和濾波器幅頻響應(yīng)的第一個(gè)凹點(diǎn)頻率一致。因此，當(dāng)輸出速率為25Hz 時(shí)，濾波器第一個(gè)凹點(diǎn)也為25Hz。另外，（sinx／x）3濾波器也能抑制第一個(gè)凹點(diǎn)頻率的諧波成分，抑制量大于40dB。當(dāng)FS0和FS1分別為 0，1時(shí)，其輸出速率和第一凹點(diǎn)頻率為25Hz，－3dB點(diǎn)時(shí)為6.55Hz。如果被測(cè)環(huán)境溫度變化緩慢，那么在模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，該電路便能有效抑制大于 6.55Hz的干擾信號(hào)，其中包括50Hz的干擾信號(hào)。

　　當(dāng)AD7705工作電壓為3V，片內(nèi)可編程放大器增益設(shè)置為1時(shí)，A／D的精度為16位，最小分辨電壓為 37.69μV（1.235V×2／65536）。而熱電偶每變化1℃（－150℃～1000℃）的輸出熱電動(dòng)勢(shì)變化為38μV～81μV／℃，大于 AD7705的最小分辨電壓。所以，系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到1℃，能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)量要求。由于AD7705可直接對(duì)－0.6175V～0.6175V 電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此，當(dāng)熱電偶測(cè)量小于0℃的溫度且熱電動(dòng)勢(shì)小于0V時(shí)，它不需額外的電路也能正常工作。

　　AD589是AD7705的電壓參考源。AD589是價(jià)格低廉的雙端器件，它能提供帶有溫度補(bǔ)償特性的1.235V帶隙參考電壓輸出。其片內(nèi)元件匹配和熱跟蹤特性使AD589具有很高的穩(wěn)定性。此外，AD589的輸出阻抗比普通的低溫度系數(shù)齊納二極管低10倍，因此，即使負(fù)載發(fā)生變化，該電路也可以在無(wú)需外部器件的情況下維持很高的精度。

　　本系統(tǒng)以MSP430F413、AD7705為核心實(shí)現(xiàn)了低功耗高精度便攜式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)。對(duì)于便攜式儀器，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低成本寬測(cè)溫范圍條件下的低功耗高精度要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。目前此電路已投入應(yīng)用，實(shí)踐表明，整個(gè)便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)使用方便，工作穩(wěn)定，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。