在冶金、石油、化工、機械制造、國防等行業(yè)中，經(jīng)常需要測量環(huán)境溫度在-200℃ ~ 1000℃之間的氣體、液體等。以前，玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、壓力型溫度計、熱電偶、熱阻和非接觸型溫度計通常用于溫度測量。其中，熱電偶測溫范圍廣。它可以直接產(chǎn)生電壓(熱電位)信號，而無需使用驅(qū)動電源。信號可由DC測量儀器(如電位計/[/k11/)電壓表、毫伏表等讀取。)通過熱電偶溫度特性指數(shù)表找出相應的溫度。也可以使用線性校正電路放大小信號電壓并顯示儀表的刻度讀數(shù)。在一些石油和天然氣輸送管道應用中，經(jīng)常需要長時間監(jiān)控溫度，并且能夠快速準確地讀取。此時，上述類型溫度計無法勝任。然而，如果將熱電偶產(chǎn)生的熱電動力轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，則單片機進行數(shù)據(jù)處理，并通過液晶顯示其溫度結果，這種方法具有響應速度快、測量精度高、功耗低、顯示直觀的優(yōu)點。因此，由熱電偶、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機和液晶模塊組成的數(shù)字型低功耗高精度溫度計可以替代各種機械類型溫度計完成特殊情況下的溫度測控工作，便于實現(xiàn)小型化設計。

圖1便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計原理圖

2.硬件電路設計

在測量過程中，熱電偶通常相對于冷端產(chǎn)生熱電電動勢。工業(yè)標準一般規(guī)定冷端溫度為0℃。然而，在實際使用中，將冷端放入冰水混合物是不方便的。如果局部溫度不是0℃，熱電電動勢可能更大或更小。因此，實際電路通常需要熱電電動勢的溫度補償。本系統(tǒng)利用AD7416測量局部溫度，并根據(jù)分度表計算相應的補償電壓。其實際溫度的熱電電動勢等于測得的電動勢和補償電壓之差。

便攜式低功耗、高精度數(shù)字溫度計系統(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)生的熱電勢轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；第三部分是AD7416，可以測量冷端溫度，計算補償電壓。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。為了達到低功耗、高精度的目標，本設計方案中選擇的所有芯片都具有低功耗模式，并能在測量間隙時以省電模式工作。電路的每個部分將在下面詳細描述。

2.1 熱電偶

在這種設計中，鉀型或J型鎳-鉻-銅-鎳(康銅)熱電偶。它們更適合氧化和弱還原環(huán)境中的溫度測量系統(tǒng)。溫度測量范圍為-200℃ ~ 1000℃，熱電動勢范圍為-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、價格低廉的優(yōu)點，非常適合便攜式溫度測量儀器的使用。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& plusmn在0.1℃和-150℃下，靈敏度可達38 μ V/℃。

圖2鎳鉻銅鎳(康銅)熱電偶熱電勢-溫度曲線

2.2數(shù)據(jù)采集電路

在這部分電路中，AD7705是低頻測量系統(tǒng)的前端器件。它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、校準電路和補償電路，可以更好地保證高精度溫度測量。

ad7705采用2.7V~3.3V單電源，具有兩個模擬差分輸入通道。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)生的小信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出串行數(shù)字信號。采用σ -δ技術實現(xiàn)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣速率由MCLKIN的主時鐘和放大器的可變增益決定。事實上，AD7705可以同時對輸入信號進行片內(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。

該濾波器的響應類似于中值濾波器，但下降沿更陡。因為數(shù)字濾波器的輸出速率與濾波器幅頻響應的*凹坑頻率一致。因此，當輸出速率為25Hz時，濾波器的凹點也為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FS0和FS1分別為0和1時，輸出速率和*凹坑頻率在- 3dB點分別為25Hz和6.55Hz。如果測得的環(huán)境溫度變化緩慢，電路可以有效抑制模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中大于6.55赫茲的干擾信號，包括50赫茲的干擾信號。

當AD7705的工作電壓為3V，片內(nèi)可編程放大器的增益設置為1時，a/d精度為16位，zui小分辨率電壓為37.69μ v (1.235v × 2/65536)。而熱電偶每1℃(-150℃～1000℃)輸出溫差電動勢從38 μ v變化到81 μ v/c，大于AD7705的zui小分辨率電壓。因此，系統(tǒng)的分辨率可以達到1℃，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)測量要求。由于AD7705可以直接對-0.6175 v至0.6175 v的電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當熱電偶測量溫度低于0℃且熱電勢低于0V時，無需額外電路即可正常工作。

AD589是AD7705的基準電壓源。AD589是一款廉價的雙端器件，可以提供帶溫度補償?shù)?.235伏帶隙基準電壓輸出。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，因此即使負載發(fā)生變化，電路也可以保持高精度，而無需外部器件。

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