基于K型熱電偶的帶式傳感器測溫系統(tǒng)

摘要:介紹一種基于K型熱電偶的帶式傳感器測溫系統(tǒng),以數(shù)字溫度傳感器DSI8B20作為K型熱電偶的冷端補償,并由多路的測溫系統(tǒng)構(gòu)成帶式傳感器陣列。仿真實驗結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)具有良好的測試精度,性能可靠,可對高溫物體的多點溫度進行實時測量,具有良好的工程化價值。
0引言
　　隨著科技的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對高溫物體的多點溫度進行實時、準確地測量。而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點測量，且溫度信息傳遞慢，精度低。在這樣的情況下，開發(fā)一種能同時測量多點溫度，且實時性高、精度高的多點溫度信息的測量系統(tǒng)就很有必要。
　　本文采用K型熱電偶作為測溫元件，用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度補償，將采集的信號經(jīng)過內(nèi)部數(shù)字化處理后，通過RS-485總線互連并傳送至適配器。整個適配器通信模塊采用C8051F410作為微控制器。該測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明確，可以非常容易實現(xiàn)多路測溫，輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。
1系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　本文所研究的帶式傳感器陣列，由相對獨立的4個測試節(jié)點組成帶式傳感器。每個測試節(jié)點包括K型:熱電偶、運算放大器、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字溫度傳感器DS18B20及相應(yīng)的信號調(diào)理電路,每條傳感器測試帶上設(shè)置有一個行測試帶信息管理模塊，每一行內(nèi)的測試節(jié)點與行測試帶信息管理模塊相連，行測試帶信息管理模塊負責(zé)進行測試節(jié)點單元傳感器信號的采集，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)字化處理后，通過RS-485總線互連并傳輸至適配器。4行傳感器測試帶平行排列組合在一起，構(gòu)成由4×4個測試節(jié)點組成的帶式傳感器陣列，由此滿足多點測試的要求。帶式傳感器陣列的電源通過共用的總線提供。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)各單元模塊設(shè)計.
2.1測試單元模塊設(shè)計
　　熱電偶溫度計屬于接觸式溫度測量儀表，是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來測量溫度的，是溫度測量儀表中常用的測溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A.B接成閉合回路，接觸測溫點的一端稱測量端,一端稱參比端。若測量端和參比端所處溫度t和t。不同，則在回路的A.B之間就產(chǎn)生一熱電勢EAB[t，t0),這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。本文選用K型熱電偶作為測溫模塊。
　　本設(shè)計選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為K型熱電偶的冷端補償模塊。DS18B20為可編程分辨率的單總線數(shù)字溫度傳感器。可通過數(shù)據(jù)線供電，供電范圍為3.0~5.5V,測溫范圍為-55℃~+125℃，精度為+0.5℃，傳感器分辨率可被使用者選擇為9~12位。DS18B20的連接電路圖如圖2所示。。

　　運放部分選用精密、低功耗儀表放大器INA128。它通用的3運放設(shè)計和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛，反饋電流輸入電路即使在高增益條件下也可提供較寬的帶寬，單個外部電阻可實現(xiàn)從1~10000的任一增益選擇。INA128的連接電路圖如圖3所示。

　　A/D轉(zhuǎn)換采用ADS1115。ADS1115為具有內(nèi)部基準的超小型、低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS1113/4/5在設(shè)計時考慮到了精度、功耗和實現(xiàn)的簡易性，具有一個板.上基準和振蕩器。數(shù)據(jù)通過一個I'C兼容型串行接口進行傳輸，可以選擇4個IFC從地址。ADS1113/4/5采用2.0~5.5V的單工作電源。ADS1115的連接電路圖如圖4所示。

2.2信息管理模塊設(shè)計
　　信息管理模塊主要負責(zé)對測試節(jié)點傳感器信號的采集和處理，并與上位機進行數(shù)據(jù)通信，接收上位機指令并將采集到的信息傳送到適配器中進行保存或供上位機進行實時觀察。采用8051內(nèi)核的微處理器對信息管理模塊數(shù)據(jù)采集進行控制，對傳感器信號進行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，然后通過485總線將數(shù)據(jù)輸出。
2.3適配器模塊設(shè)計
　　整個適配器通信模塊采用C8051F410作為微控制器，采用CP2200作為以太網(wǎng)控制器。系統(tǒng)提供RJ-45接口與網(wǎng)絡(luò)連接，完成對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計簡圖如圖5所示。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計
　　首先，關(guān)閉單片機看門狗，初始化定時器，規(guī)定單片機10ms采集一次數(shù)據(jù)，初始化串口為方式一，循環(huán)采集16個傳感器的數(shù)據(jù)，打包以后放到隊列當中，通過RS-485通信上傳給上位機，由上位機讀取數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖6所示。

4結(jié)論
　　本文選用的K型熱電偶測溫范圍廣、價格低廉、重復(fù)性好、產(chǎn)生的熱電勢大，因而靈敏度很高，而且它的線性度很好，非常適合用于工業(yè)測溫。本文所提出的利用帶式傳感器組成傳感器陣列，進行多點測溫，具有精度高、實時性好等特點，適用于各種溫度檢測和控制系統(tǒng)。因此，在工廠、醫(yī)療、倉庫等各種需要多點測溫的場所中有著廣闊的運用前景。