1.在冶金、石油、化工、機(jī)械制造、國(guó)防等行業(yè)，經(jīng)常需要測(cè)量氣體和液體的溫度在-200℃ ~ 1000℃ 以前，玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力型溫度計(jì)、熱電偶、熱阻和非接觸型溫度計(jì)通常用于溫度測(cè)量 其中，熱電偶測(cè)溫范圍廣。它可以直接產(chǎn)生電壓(熱電位)信號(hào)，而無(wú)需使用驅(qū)動(dòng)電源。信號(hào)可由DC測(cè)量?jī)x器(如電位計(jì)/[/k11/)電壓表、毫伏表等讀取。)通過(guò)熱電偶溫度特性指數(shù)表找出相應(yīng)的溫度。也可以使用線性校正電路放大小信號(hào)電壓并顯示儀表的刻度讀數(shù)。 在石油和天然氣管道的某些應(yīng)用中，經(jīng)常需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控溫度，并快速準(zhǔn)確地讀取溫度。 此時(shí)，上述類型溫度計(jì)無(wú)法勝任 但是，如果將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過(guò)液晶顯示溫度結(jié)果，這種方法具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、功耗低、顯示直觀的優(yōu)點(diǎn)。 因此，由熱電偶、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和液晶模塊組成的數(shù)字型低功耗高精度溫度計(jì)可以替代各種機(jī)械類型溫度計(jì)在特殊情況下完成溫度測(cè)控工作，便于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。 圖1便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)原理圖2，測(cè)量過(guò)程中的硬件電路設(shè)計(jì)，熱電偶一般相對(duì)于冷端產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì) 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定冷端溫度為0℃ 然而，在實(shí)際使用中，將冷端放入冰水混合物是不方便的。 如果局部溫度不為0℃，熱電電動(dòng)勢(shì)可能更大或更小。 因此，實(shí)際電路通常需要熱電電動(dòng)勢(shì)的溫度補(bǔ)償。 本系統(tǒng)利用AD7416測(cè)量局部溫度，并根據(jù)分度表計(jì)算相應(yīng)的補(bǔ)償電壓。 其實(shí)際溫度的熱電電動(dòng)勢(shì)等于測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)和補(bǔ)償電壓之差。 便攜式低功耗、高精度數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)由四部分組成:*是熱電偶；二是由AD7705和AD589組成的數(shù)據(jù)采集電路，其中a/d轉(zhuǎn)換電路的功能是將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；第三部分是AD7416，可以測(cè)量冷端溫度，計(jì)算補(bǔ)償電壓。第四部分是由MSP430F413和六位筆段液晶顯示器組成的控制和顯示電路 具體電路圖如圖1所示。 為了達(dá)到低功耗、高精度的目標(biāo)，本設(shè)計(jì)方案中選擇的所有芯片都具有低功耗模式，并能在測(cè)量間隙時(shí)以省電模式工作。 電路的每個(gè)部分將在下面詳細(xì)描述。 2.1熱電偶K型或J型鎳-鉻-銅-鎳(康斯坦坦)熱電偶 它們更適合氧化和弱還原環(huán)境中的溫度測(cè)量系統(tǒng)。其測(cè)溫范圍為-200℃ ~ 1000℃，熱電動(dòng)勢(shì)范圍為-9.835毫伏~ 76.358毫伏。由于這些熱電偶具有穩(wěn)定性好、靈敏度高、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，非常適合便攜式溫度測(cè)量?jī)x器的使用。 圖2是鎳-鉻-銅-鎳(康銅)熱電偶的熱電力-溫度曲線。經(jīng)分析，其精度可達(dá)& plusmn在0.1℃和-150℃下，靈敏度可達(dá)38μ；V/℃ 圖2ni-Cr-Cu-Ni(constantan)熱電偶溫差電動(dòng)力-溫度曲線2.2數(shù)據(jù)采集電路在電路的這一部分，AD7705是低頻測(cè)量系統(tǒng)中使用的前端器件，具有高分辨率和省電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求 此外，AD7705還內(nèi)置數(shù)字濾波電路、校準(zhǔn)電路和補(bǔ)償電路，可以更好地保證高精度溫度測(cè)量。 ad7705采用2.7V~3.3V單電源，具有兩個(gè)模擬差分輸入通道。在3V電源和1.235伏參考電壓條件下，雙極輸入信號(hào)的較大幅度范圍為0 ~ & plusmn10mv(增益= 128)至0 ~ & plusmn1.235伏(增益=1) 此外，AD7705還可以直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出串行數(shù)字信號(hào)。 它采用& Sigma-&三角洲；實(shí)現(xiàn)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換的技術(shù) 采樣速率由MCLKIN的主時(shí)鐘和放大器的可變?cè)鲆鏇Q定。 事實(shí)上，AD7705可以同時(shí)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。 其數(shù)字濾波器的阻帶可編程，以調(diào)整濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)的更新速率。 該濾波器的響應(yīng)類似于中值濾波器，但下降沿更陡。 因?yàn)閿?shù)字濾波器的輸出速率與濾波器幅頻響應(yīng)的*凹坑頻率一致 因此，當(dāng)輸出速率為25Hz時(shí)，濾波器*凹坑也為25Hz。 此外，(sinx/x) 3濾波器還可以將* pit頻率的諧波成分抑制40dB以上。 當(dāng)FS0和FS1分別為0和1時(shí)，輸出速率和*凹坑頻率在- 3dB點(diǎn)分別為25Hz和6.55Hz。 如果測(cè)量的環(huán)境溫度變化緩慢，電路可以有效抑制模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中大于6.55赫茲的干擾信號(hào)，包括50赫茲的干擾信號(hào) 當(dāng)AD7705的工作電壓為3V，片內(nèi)可編程放大器的增益設(shè)置為1時(shí)，a/d精度為16位，zui小分辨率電壓為37.69μ；v(1.235伏×次；2/65536) 而熱電偶每1℃(150℃~ 1000℃)輸出熱電動(dòng)力變化為38μ；v ~ 81μ；V/℃，大于AD7705的zui小分辨率電壓 因此，系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到1℃，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)測(cè)量要求。 由于AD7705可以直接對(duì)-0.6175 v至0.6175 v的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)熱電偶測(cè)量溫度低于0℃且熱電勢(shì)低于0V時(shí)，無(wú)需額外電路即可正常工作。 ad589是AD7705的基準(zhǔn)電壓源。 AD589是一款廉價(jià)的雙端器件，可以提供1.235伏帶隙基準(zhǔn)電壓輸出，并具有溫度補(bǔ)償特性。 其片內(nèi)元件匹配和熱跟蹤特性使AD589高度穩(wěn)定。 此外，AD589的輸出阻抗比傳統(tǒng)的低溫系數(shù)齊納二極管低10倍，因此即使負(fù)載發(fā)生變化，電路也可以保持高精度，而無(wú)需外部器件。 2.3利用AD7416 ad7416測(cè)量冷端溫度是一個(gè)完整的單片溫度監(jiān)控系統(tǒng)，溫度測(cè)量范圍為-55℃至125℃ 該器件包括帶隙溫度傳感器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于監(jiān)控溫度并將溫度值數(shù)字轉(zhuǎn)換為0.25℃的分辨率 本文介紹的數(shù)字溫度計(jì)利用AD7416測(cè)量局部溫度，當(dāng)熱電偶參考端溫度不為0℃時(shí)，可以輸出待補(bǔ)償?shù)碾妷褐? 2.4控制和顯示電路MSP430F413是德州儀器生產(chǎn)的超低功耗單片機(jī)。由于msp430f413包含許多功能模塊(如鎖頻環(huán)、定時(shí)器、看門狗、比較器、液晶驅(qū)動(dòng)電路、輸入輸出端口等)。)，它可以適用于不同的應(yīng)用。 其低功耗和低電壓特性特別適用于電池供電的便攜式儀器。 MSP430F413分別通過(guò)P1.4、P1.5和P1.6連接到AD7705的SCLK、DIN和DOUT，形成三線接口。 P1.3為低電平時(shí)，選擇AD7705完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)讀取功能。 模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，可以從P1.7讀取DRDY引腳的電平變化，從而使系統(tǒng)做出應(yīng)用響應(yīng)。 由P6.5、P6.4和AD7416組成的I2C總線可以采集本地溫度數(shù)據(jù)。 MSP 430f413的P3、P4和P5港口都有第二種功能。除了普通的輸入/輸出端口外，它們還可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)具有24個(gè)分段引腳和4個(gè)通信端口的液晶模塊 在本設(shè)計(jì)中，顯示部分采用六位筆段液晶顯示器。 引腳R33、R23、R13和R03之間有三個(gè)1Mω；電阻分壓器可以為液晶顯示器提供參考偏置電壓 每個(gè)字符的大小為15毫米×15倍；10毫米，因此在一定距離上讀取數(shù)據(jù)很方便。 另外，按鍵分別連接到三個(gè)引腳P1.0、P1.1和P1.2，可以設(shè)置為中斷模式，采樣時(shí)間間隔、閾值和控制系統(tǒng)通過(guò)三個(gè)按鍵進(jìn)入低功耗狀態(tài)或工作狀態(tài)。 微控制器的時(shí)鐘信號(hào)由32.768千赫晶體振蕩器和片內(nèi)振蕩器電路產(chǎn)生，從而降低功耗。 看門狗電路可以保證程序長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。 如果系統(tǒng)每10秒收集一次數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為103.2μ；A 如果整個(gè)系統(tǒng)由3V/1AH電池供電，系統(tǒng)可以連續(xù)工作13個(gè)月。 如果數(shù)據(jù)采集頻率降低，電池壽命可以進(jìn)一步延長(zhǎng)。 3.軟件和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)書數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序(入口地址為0FFE0h，優(yōu)先級(jí)為0)、看門狗中斷服務(wù)程序(入口地址為0FFF4h，優(yōu)先級(jí)為10)、關(guān)鍵中斷服務(wù)程序(入口地址為0FFE8h，優(yōu)先級(jí)為4)、液晶顯示程序和熱電偶索引表數(shù)據(jù)組成 系統(tǒng)中的單片機(jī)工作時(shí)處于活動(dòng)模式，工作間隙可以設(shè)置為低功耗模式2，以降低功耗，達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命的目的。 由于MSP430F413芯片中的只讀存儲(chǔ)器只有8k字節(jié)，因此不可能完全存儲(chǔ)分度表的數(shù)據(jù)。因此，在一定的誤差范圍內(nèi)，近似線性部分可以由虛線段的分段來(lái)近似。 對(duì)于曲率較大的曲線，切比雪夫近似表達(dá)式可用于編程計(jì)算。 由于測(cè)量的環(huán)境溫度和局部溫度不會(huì)在工業(yè)環(huán)境中突然變化，因此可以間隔測(cè)量和顯示溫度。 數(shù)據(jù)采集程序的算法具有自適應(yīng)特性。因此，當(dāng)某一溫度在單位時(shí)間間隔內(nèi)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，MSP430F413將縮短采樣時(shí)間間隔以加快采樣頻率，并通過(guò)蜂鳴器U1和發(fā)光二極管D1發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào) 實(shí)驗(yàn)表明，AD7416具有較高的靈敏度，可以通過(guò)平滑局部溫度數(shù)據(jù)來(lái)減少誤差。 msp430f413單片機(jī)程序可以用c語(yǔ)言編寫，可讀性強(qiáng)，便于移植。 該程序可以由國(guó)際癌癥研究所的國(guó)際癌癥研究所嵌入式工作臺(tái)和IAR斯皮德克爾編譯成機(jī)器代碼。 IAREmbeddedWorkbench系統(tǒng)的軟件包括MSP430F413單芯片頭文件msp430x41x.h和in430.h，該文件定義了芯片上特殊功能寄存器、操作模式、輸入和輸出寄存器、定時(shí)器、系統(tǒng)時(shí)鐘、電源管理、比較器、液晶顯示寄存器、看門狗定時(shí)器、中斷向量和庫(kù)函數(shù)的名稱。 程序代碼可由計(jì)算機(jī)通過(guò)MSP 430閃存仿真工具的JTAG接口寫入片內(nèi)閃存。 由于MSP430F413單片機(jī)的JTAG接口支持在線編程，因此在編寫程序的同時(shí)升級(jí)現(xiàn)有程序非常方便。 系統(tǒng)的主流程圖和定時(shí)器中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。 圖3系統(tǒng)主流程和定時(shí)器中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集流程圖4結(jié)論系統(tǒng)的精度和分辨率主要取決于傳感器和a/d芯片的精度和分辨率 As 數(shù)字應(yīng)用中使用的變換不能完全消除誤差，還應(yīng)注意消除冷端溫度或冷端補(bǔ)償引起的誤差以及測(cè)量溫度時(shí)連接補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差，同時(shí)應(yīng)注意電路誤差和噪聲、絕緣電阻、熱阻等引起的誤差。 根據(jù)實(shí)際需要，可采用高穩(wěn)定性熱電偶和精度為1℃的局部溫度傳感器，可在一定溫度范圍內(nèi)提高精度。 該系統(tǒng)以MSP430F413和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，該設(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，該電路已經(jīng)投入使用。實(shí)踐表明，全便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)使用方便，運(yùn)行穩(wěn)定，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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