一種工業(yè)用溫度測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅伯特侯

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的參數(shù)之一，因此溫度測(cè)量設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域不可或缺。熱電偶是工業(yè)場(chǎng)合中應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器,它的主要特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬,價(jià)格低，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,堅(jiān)固耐用。

筆者采用高集成度、高精度ADC芯片ADS1248芯片，設(shè)計(jì)了一種熱電偶溫度測(cè)量模塊。本文詳細(xì)闡述了該溫度測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理

1.1硬件框圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。圖中MCU為主芯片；ADS1248為采樣芯片，1片ADS1248可采樣4路熱電偶信號(hào)；在MCU與ADS1248之間的通信信號(hào)采用了磁耦芯片ADuM1401進(jìn)行隔離；TMP275為測(cè)溫芯片，測(cè)量環(huán)境溫度，提供熱電偶冷端補(bǔ)償溫度；外接24VDC電源通過隔離DC-DC模塊轉(zhuǎn)換成5V，為采樣電路供電。在每路輸入設(shè)計(jì)了濾波器，以衰減熱電偶上的噪聲。主芯片與采樣芯片間通過串口進(jìn)行通信，MCU與ADS1248通過SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，MCU與TMP275通過I2C口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

此模塊為可編程控制器的擴(kuò)展模塊，因此具有擴(kuò)展總線。通過擴(kuò)展總線，該模塊與可編程控制器主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 ADS1248特性及應(yīng)用

圖2 ADS1248框圖

TI 公司的ADS1248是高度集成的24位精密ADC芯片,它集成了低噪音可編程增益放大器(PGA)、單周期設(shè)定數(shù)字濾波器的精密Delta-Sigma ADC、振蕩器、輸入切換器(Input Mux),可采樣4 組差分或7組單端輸入。該芯片還具有50/60 Hz同步抑制模式；傳感器斷線檢測(cè)功能。設(shè)計(jì)中選用該芯片可在不影響性能的情況下減少器件數(shù)量，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

1.3抗干擾設(shè)計(jì)

熱電偶信號(hào)為差分小信號(hào)。根據(jù)K型熱電偶分度表計(jì)算得出，在-100oC～1200oC溫度范圍內(nèi)，該類型熱電偶輸出電壓信號(hào)幅度在50mV之內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶配線較長(zhǎng)。因此，熱電偶采樣電路易受工頻干擾和射頻干擾的影響。為實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，模塊中必須加入抗干擾措施。

工頻干擾(50Hz及60Hz電磁波)是工控測(cè)量系統(tǒng)中最常見的一種干擾噪聲，對(duì)測(cè)量精度影響很大。本設(shè)計(jì)，利用ADS1248集成的數(shù)字濾波器(Programmable Digital Filter)對(duì)此類干擾進(jìn)行抑制。圖2框圖中，數(shù)字濾波器放置于模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，其作用是對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，從而達(dá)到濾除干擾噪聲的目的。

ADS1248中數(shù)字濾波器的濾波特性與采樣速率有關(guān)。綜合衡量多方面因素后，本設(shè)計(jì)選取20SPS(每秒20次)的采樣速率，此時(shí)數(shù)字濾波特性如圖3所示。通過該濾波器，50Hz及60Hz工頻干擾噪聲均被衰減70dB以上。

圖3 數(shù)字濾波器特性(20SPS)

除工頻干擾外，射頻干擾也不可忽略。為抑制射頻干擾，設(shè)計(jì)中在熱電偶與采樣芯片之間加入了RC低通濾波器，如圖4所示。圖4中虛線框內(nèi)為RC低通濾波器，該電路對(duì)熱電偶上耦合的射頻干擾起到衰減作用。為達(dá)到良好效果，C1a和C1b容值相同，R1a和R1b阻值相同，且C2≥10C1。

圖4抗射頻干擾濾波電路

圖4中RC低通濾波器對(duì)差模和共模射頻干擾信號(hào)均具有衰減作用，因此該濾波器具有兩種不同的帶寬：差模帶寬和共模帶寬。假設(shè)C1a和C1b的容值為C1，R1a和R1b阻值為R1，兩種帶寬計(jì)算公式見公式(1)和公式(2)。

設(shè)定濾波器RC參數(shù)時(shí)，首先確定R1的值，然后根據(jù)帶寬需求依據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算電容值。本設(shè)計(jì)中取R1為47

，C1為47pF，C2為0.1uF。除以上抗干擾措施外，實(shí)踐證明，將模擬地通過端子連接到大地也可提高采樣值的精度及穩(wěn)定性。

1.4 冷端補(bǔ)償設(shè)計(jì)及原理

利用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)必須進(jìn)行冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，傳統(tǒng)方法為熱電阻溫度補(bǔ)償法，本設(shè)計(jì)利用溫度傳感器芯片TMP275進(jìn)行冷端補(bǔ)償，有效地降低的用戶的使用成本，簡(jiǎn)化了配線。

TMP275是TI公司的一款低功耗數(shù)字輸出溫度傳感器。在+10 oC至+85 oC范圍內(nèi)的精確度為±0.5 oC (最大值)、9至12位可編程分辨率、其雙線串行接口可與I2C相兼容。

MCU與TMP275通過I2C相連，兩者之間不進(jìn)行電氣隔離。設(shè)計(jì)中設(shè)置TMP275為12位分辨率，以提高精度。為降低功耗，采用關(guān)閉模式，當(dāng)需要通過TMP275采樣溫度時(shí)，首先向其發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)命令，采樣完成后采樣值存入數(shù)據(jù)寄存器，TMP275自動(dòng)關(guān)閉，直至下一個(gè)啟動(dòng)采樣命令到來。TMP275自動(dòng)關(guān)閉后并不影響串行通信功能。

圖5為冷端補(bǔ)償原理流程圖。該流程圖說明了通過熱電偶信號(hào)的采樣值和冷端溫度值計(jì)算出熱電偶的另一端溫度值的過程。

圖5 冷端補(bǔ)償原理流程圖

如圖5所示，首先通過熱電偶采樣值計(jì)算出熱電偶輸出電壓值，同時(shí)將由TMP275得到的冷端溫度值通過查找分度表轉(zhuǎn)換成電壓值，然后將以上兩個(gè)電壓值相加，最后將相加后得到電壓值通過分度表轉(zhuǎn)換成溫度值(攝氏度)，該溫度值便是被測(cè)溫度值。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程圖

圖6為系統(tǒng)軟件主流程圖。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化工作，然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中首先取擴(kuò)展總線上寫入的配置信息(通道開啟、溫度制式、斷線默認(rèn)值等配置信息)并做設(shè)置，當(dāng)配置信息與前次不相同時(shí)，才進(jìn)行配置操作。

圖6 軟件主流程圖

主循環(huán)中第二個(gè)操作是采樣TMP275得到冷端溫度值。通過斷線檢測(cè)步驟，被開啟但出現(xiàn)斷線故障的通道號(hào)被標(biāo)記。接下來是采集熱電偶通道，程序只對(duì)開啟且沒有斷線故障的通道進(jìn)行采樣。對(duì)所有正常通道采集完成后，便依據(jù)采樣值、斷線狀態(tài)和通道配置計(jì)算出各通道的溫度值，沒有開啟的通道溫度值為0。得到所有通到溫度值后，便把這些溫度數(shù)據(jù)寫到相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域，等待可編程控制器主機(jī)讀取。

在計(jì)算溫度值的過程中，需用到K型熱電偶(鎳鉻-鎳硅熱電偶)分度表(GB/T 16839.1-1997)。該分度為熱電偶輸出電壓與熱電偶兩端溫度差值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，通過查找該表可以實(shí)現(xiàn)電壓與溫度的相互轉(zhuǎn)換。該表存放于內(nèi)存區(qū)中，溫度步長(zhǎng)為10，溫度范圍為-270oC～1300oC。在電壓值與溫度值相互轉(zhuǎn)換過程中，利用線性插值算法逼近熱電偶特性曲線，以減小誤差。

3測(cè)試結(jié)果

文中溫度測(cè)量模塊使用環(huán)境為0℃～+55℃。用熱電偶檢驗(yàn)儀(VICTOR 14+)模擬K型熱電偶輸入信號(hào)，將溫度測(cè)量模塊置于恒溫箱中，在不同溫度條件下對(duì)溫度測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4結(jié)束語

本設(shè)計(jì)充分利用高集成度、高精度ADC芯片ADS1248和溫度傳感器芯片TMP275的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本，同時(shí)進(jìn)行了有效的抗干擾設(shè)計(jì)。該溫度測(cè)量模塊可采樣8路K型熱電偶信號(hào)，測(cè)量溫度范圍為-100oC～1200oC，精度為±0.5%滿量程加1oC，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)來咯，堅(jiān)持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎(jiǎng)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的温度补偿计算公式_一种工业用温度测量模块的设计与实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。