远程测温系统设计

远程测温系统设计【摘 要】本设计利用集成温度放大器AD594使热电偶的冷端温度得到补偿，并使之输出信号放大、线性化，并选择双积分型A/D 转换器TLC7135，利用它的“BUSY ”端输出特性辅以单片机AT89S51的定时器直接计数，然后利用nRF401无线数据传输芯片进行数据的发送和接收，最终把传来的数据用一个简单的算法得到温度值，并在数码管上显示。

【关键字】AD594； TLC7135； nRF401； 双积分型； 高精度1．引言温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器/控制器、智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，在电厂测温大部分采用热电偶。

它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50～1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

热电偶在使用中的一个重要问题是如何解决冷端温度补偿，采用通常的冷端补偿方法后热电偶的输出电动势与采集温度是非线性关系，需要线性化。

在电子工业中，随着整机集成度的提高和元器件的微型化、复杂化，在印制板上焊接元件时对各种焊接设备的波峰焊、回流焊、SMT 等温度工艺要求越来越高。

这就需要一种可移动的温度数据采集仪器，能随传送带进入焊炉内，测量记录下不同焊点间印制板上的焊盘孔、过孔等在焊炉内不同位置时的温度参数，并能将测量数据方便地传送给电脑，进行数据曲线的显示、分析和打印，以便制定和执行合适的工艺流程。

2．系统设计方案系统构成如图2-1所示：图2-1 系统构成在设计温度测控系统中，从简化电路及程序设计、保证采集精度出发，在以K 型热电偶作为温度传感器时，选择集成温度放大器AD594使热电偶的冷端温度得到补偿，并使之输出信号放大、线性化，并选择TLC7135作为A/D 转换器，利用它的“BUSY ”端输出特性辅以单片机AT89S51的定时器直接计数[1]，然后利用挪威Nordic公司新推出的集发射接收为一体的nRF401无线数据传输芯片进行数据的发送和接收，最终把传来的数据用一个简单的算法得到温度值，并在数码管上显示。

系统主要性能指标：采集精度可由程序随意设定，温度测量范围为0℃～300℃，传输距离长，可达3000M。

3．硬件电路设计3．1 温度采集、冷端补偿、放大线性化电路图3-1 温度采集及A/D转换电路电路如图3-1所示，在实际的热电偶测温中，必须进行冷端补偿、调零、电压放大和线性化等比较繁琐的工作，否则会造成很大的误差。

AD594是AD公司针对上述问题设计的专用芯片，内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警电路，功耗低、低阻抗输出、高阻抗差分输入等优点。

被测温度与AD594输出电压的关系是10mV/℃、Vout=(K型热电偶电动势+11uV)*247.3（247.3为AD594的基本增益），芯片在+5V～+30V范围内都可正常工作。

随所测温度量程增大，电源电压应相应提高。

AD594的第1脚要求接热电偶正极且接地，AD594的7脚是负电源端，由于不测0℃以下的温度，不用负压供电，所以7脚可接地。

AD594的12、13脚是热偶故障报警电路的输出端，13脚接地后，集电极开路的12脚接上拉电阻；热电偶正常时输出高电平，断偶故障时输出低电平，发光二极管点亮。

反馈端引脚8和输出端引脚9相连，就可满足10mV/℃的温度转换特性[2]。

这样，K型热电偶采集温度得到的毫伏级电动势经AD594线性化并放大后在其9脚输出一伏级信号，且成10mV/℃的线性比例关系，再把这一信号经TLC7135C进行A/D转换。

.3．2 A/D转换电路双积分式也称二重积分式，其实质是测量和比较两个积分的时间，一个是对模拟输入电压积分的时间T0,此时间往往是固定的；另一个是以充电后的电压为初值，对参考电源Vref反向积分，积分电容被放电至零所需的时间T1。

模拟输入电压Vi与参考电压Vref之比，等于上述两个时间之比。

由于Vref、T0固定，而放电时间T1可以测出，因而可计算出模拟输入电压的大小(Vref与Vi符号相反)。

由于Vref为已知的固定常数，因此反向积分时间与输入模拟电压V 时间内的平均值成正比。

输入电压V1愈高,Va愈大,T1就愈长。

在T1开始时刻，控制逻辑同时打开计数器的控制门开始计数，直到积分器恢复到零电平时，计数停止。

则计数器所计出的数字即正比于输入电压Vi在T0时间内的平均值，于是完成了一次A/D转换。

由于双积分型A/D转换是测量输入电压Vi在T0时间内的平均值，所以对常态干扰(串模干扰)有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑制效果更好。

双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，这是突出的优点。

但转换速度比较慢，常用的A/D转换芯片的转换时间为毫秒级。

因此适用于模拟信号变化缓慢，采样速率要求较低，而对精度要求较高，或现场干扰较严重的场合。

例如在数字电压表中常被采用[3]。

TLC7135C 转换器用德州仪器公司高效率CMOS 工艺制造。

这种 4 1/2 数位、双斜率积分（Dual-Slope-Integrating）模拟-数字转换器是为提供与微处理器和可视显示二者的接口而设计的。

TLC7135C 提供 50-ppm的分辨率，其最大线性度误差为 1 个计数值。

零点误差小于 10 μV ，零点漂移小于 0.5μV/℃。

低输入电流（小于 10pA)使源阻抗（Source-Impedance）误差为最小。

翻转误差（Rollover Error）限制至±1计数值。

TLC7135C的测量周期包括下列四相（节拍）。

① Auto-Zero（自动调零）相。

内部IN+和IN-输入与引脚断开且在内部连接至Anlg Common。

基准电容被充电至基准电压。

系统接成闭环，自动调零（Auto-Zero）电容被充电以补偿缓冲放大器，积分器和比较器的失调电压。

自动调零精度仅受系统噪声的限制，以输入为基准的总失调小于10μV。

② Signal Integrate（信号积分）相。

自动调零环路被打开，内部的 IN+和 IN-输入被连接至外部引脚。

在固定的时间周期内这些输入端之间的差分电压被积分。

当输入信号相对于转换器电源不反相（Noreturn）时， IN-可连接至Anlg Common 以建立正确的共模电压。

在这一相完成的基础上，输入信号的极性被记录。

③ Deintegrate（去积分）相。

基准用于完成去积分（Deintegrate）任务。

内部IN-在内部连接至Anlg Common， IN+跨接至先前已充电的基准电容。

所记录的输入信号的极性确保以正确的极性连接电容以便积分器输出极性回到零。

输出返回至零所需的时间正比于输入信号的幅度。

返回时间显示为数字读数并由等式10,000×(V/V )确定。

满度或最大转换值发生在V 等于V 两倍时。

ID ref ID ref④ Zero Integrator（积分器返回零）相。

内部的IN-连接到Anlg Common 。

系统接成闭环以便使积分器输出返回到零。

通常这一相需要100至200个时钟脉冲。

但是在超范围（Over-Range）转换后，需要6200个脉冲。

电路如图3-1所示，TLC7135C是以双积分方式进行A/D转换的电路，BUSY端为转换状态标志的输出端，积分器在积分过程中BUSY端输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。

积分器输出端及BUSY端的输出波形如图3-2所示。

图3-2 TLC7135C双积分原理在信号积分（Signal Integrate）相开始时BUSY（忙）输出变为高电平。

BUSY将保持高电平直到零穿越（Zero Crossing）之后的第一个时钟脉冲或超范围（Over-range）条件发生时的测量周期结束时，利用BUSY端串行发送转换结果是可能的。

通过把BUSY和CLOCK信号相“与”（And）并发送“与”的结果使可完成串行发送。

所发送的输出包括发生在信号积分相内 10,001 个时钟脉冲以及发生在去积分（Deintegrate）相期间内的时钟脉冲数。

从总的时钟脉冲数减去10,001可以得到转换结果。

根据TLC7135C双积分式A/D转换原理有：Vx=Vr*T1/T0,其中T1为反积分时间，T0为积分阶段固定时间，Vr为参考电压。

再由AD594的输出特性10mV/℃，可得所采集的温度值C=100Vx，其精度可由程序控制而满足各种精度的要求。

3．3 无线收发电路本设计中采用挪威Nordic公司新推出的集发射接收为一体的nRF401无线数据传输芯片，它是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片机UHF无线收发芯片，采用FSK调制解调技术。

采用高增益天线的情况下传输距离可达3000m。

在数据传输方面，nRF401采用串口传输，无需对数据进行曼彻斯特编码，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率[4]。

编码及无线收发射电路如图3-3所示。

通过AT89S51的P1.2口控制射频芯片的PWR_UP，使其为“1”时表示进入正常工作模式，为“0”时表示进入待机模式；P1.1接射频芯片的CS,控制发送接收频率，为“1”表示工作频率为434.32MHz。

为“0”表示工作频率为433.92MHz。

P1.0控制射频芯片的TXEN 端，使其为“1”表示进入发送模式，为“0”表示进入接收模式。

图3-3 无线收发电路3．4 控制及显示电路AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。

使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 AT89S51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[5]。

本设计我们利用单片机内部的定时器对TLC7135C的时钟脉冲进行计数；利用TLC7135C“BUSY”端作为门控信号，控制定时器只能在”BUSY”端为高电平时计数。

最后把计数值减去10001，其值便是实际反积分阶段的时钟数，这与被测电压成比例。

在终端我们采用集成4段数码管JM-S03641B进行温度值的显示，如图3-4所示。

图3-4 控制及显示电路4．程序流程系统程序设计采用模块调用形式，逐个模块编写子程序，再把各个子程序整合起来。

调用子程序主要包括清除函数、延时函数、初始化函数、数据采集函数、发送接收函数、显示函数。