工业便携式低功耗和高精度数字温度计设计

1.在冶金、石油、化工、机械制造、国防等行业，经常需要测量气体和液体的温度在-200℃ ~ 1000℃ 以前，玻璃液体温度计、双金属温度计、压力型温度计、热电偶、热阻和非接触型温度计通常用于温度测量 其中，热电偶测温范围广。它可以直接产生电压(热电位)信号，而无需使用驱动电源。信号可由DC测量仪器(如电位计/[/k11/)电压表、毫伏表等读取。)通过热电偶温度特性指数表找出相应的温度。也可以使用线性校正电路放大小信号电压并显示仪表的刻度读数。 在石油和天然气管道的某些应用中，经常需要长时间监控温度，并快速准确地读取温度。 此时，上述类型温度计无法胜任 但是，如果将热电偶产生的热电势转换成数字信号，然后由单片机处理数据，通过液晶显示温度结果，这种方法具有响应速度快、测量精度高、功耗低、显示直观的优点。 因此，由热电偶、模数转换电路、单片机和液晶模块组成的数字型低功耗高精度温度计可以替代各种机械类型温度计在特殊情况下完成温度测控工作，便于实现小型化设计。 图1便携式低功耗高精度数字温度计原理图2，测量过程中的硬件电路设计，热电偶一般相对于冷端产生热电电动势 工业标准一般规定冷端温度为0℃ 然而，在实际使用中，将冷端放入冰水混合物是不方便的。 如果局部温度不为0℃，热电电动势可能更大或更小。 因此，实际电路通常需要热电电动势的温度补偿。 本系统利用AD7416测量局部温度，并根据分度表计算相应的补偿电压。 其实际温度的热电电动势等于测得的电动势和补偿电压之差。 便携式低功耗、高精度数字温度计系统由四部分组成:*是热电偶；二是由AD7705和AD589组成的数据采集电路，其中a/d转换电路的功能是将热电偶产生的热电势转换成数字信号；第三部分是AD7416，可以测量冷端温度，计算补偿电压。第四部分是由MSP430F413和六位笔段液晶显示器组成的控制和显示电路 具体电路图如图1所示。 为了达到低功耗、高精度的目标，本设计方案中选择的所有芯片都具有低功耗模式，并能在测量间隙时以省电模式工作。 电路的每个部分将在下面详细描述。 2.1热电偶K型或J型镍-铬-铜-镍(康斯坦坦)热电偶 它们更适合氧化和弱还原环境中的温度测量系统。其测温范围为-200℃ ~ 1000℃，热电动势范围为-9.835毫伏~ 76.358毫伏。由于这些热电偶具有稳定性好、灵敏度高、价格低廉的优点，非常适合便携式温度测量仪器的使用。 图2是镍-铬-铜-镍(康铜)热电偶的热电力-温度曲线。经分析，其精度可达& plusmn在0.1℃和-150℃下，灵敏度可达38μ；V/℃ 图2ni-Cr-Cu-Ni(constantan)热电偶温差电动力-温度曲线2.2数据采集电路在电路的这一部分，AD7705是低频测量系统中使用的前端器件，具有高分辨率和省电模式，能够满足高精度和低功耗的要求 此外，AD7705还内置数字滤波电路、校准电路和补偿电路，可以更好地保证高精度温度测量。 ad7705采用2.7V~3.3V单电源，具有两个模拟差分输入通道。在3V电源和1.235伏参考电压条件下，双极输入信号的较大幅度范围为0 ~ & plusmn10mv(增益= 128)至0 ~ & plusmn1.235伏(增益=1) 此外，AD7705还可以直接接收传感器产生的小信号进行模数转换，并输出串行数字信号。 它采用& Sigma-&三角洲；实现16位模数转换的技术 采样速率由MCLKIN的主时钟和放大器的可变增益决定。 事实上，AD7705可以同时对输入信号进行片内放大、调制转换和数字滤波。 其数字滤波器的阻带可编程，以调整滤波器的截止频率和输出数据的更新速率。 该滤波器的响应类似于中值滤波器，但下降沿更陡。 因为数字滤波器的输出速率与滤波器幅频响应的*凹坑频率一致 因此，当输出速率为25Hz时，滤波器*凹坑也为25Hz。 此外，(sinx/x) 3滤波器还可以将* pit频率的谐波成分抑制40dB以上。 当FS0和FS1分别为0和1时，输出速率和*凹坑频率在- 3dB点分别为25Hz和6.55Hz。 如果测量的环境温度变化缓慢，电路可以有效抑制模数转换过程中大于6.55赫兹的干扰信号，包括50赫兹的干扰信号 当AD7705的工作电压为3V，片内可编程放大器的增益设置为1时，a/d精度为16位，zui小分辨率电压为37.69μ；v(1.235伏×次；2/65536) 而热电偶每1℃(150℃~ 1000℃)输出热电动力变化为38μ；v ~ 81μ；V/℃，大于AD7705的zui小分辨率电压 因此，系统的分辨率可以达到1℃，能够满足大多数工业测量要求。 由于AD7705可以直接对-0.6175 v至0.6175 v的电压进行模数转换，当热电偶测量温度低于0℃且热电势低于0V时，无需额外电路即可正常工作。 ad589是AD7705的基准电压源。 AD589是一款廉价的双端器件，可以提供1.235伏带隙基准电压输出，并具有温度补偿特性。 其片内元件匹配和热跟踪特性使AD589高度稳定。 此外，AD589的输出阻抗比传统的低温系数齐纳二极管低10倍，因此即使负载发生变化，电路也可以保持高精度，而无需外部器件。 2.3利用AD7416 ad7416测量冷端温度是一个完整的单片温度监控系统，温度测量范围为-55℃至125℃ 该器件包括带隙温度传感器和10位模数转换器，模数转换器用于监控温度并将温度值数字转换为0.25℃的分辨率 本文介绍的数字温度计利用AD7416测量局部温度，当热电偶参考端温度不为0℃时，可以输出待补偿的电压值 2.4控制和显示电路MSP430F413是德州仪器生产的超低功耗单片机。由于msp430f413包含许多功能模块(如锁频环、定时器、看门狗、比较器、液晶驱动电路、输入输出端口等)。)，它可以适用于不同的应用。 其低功耗和低电压特性特别适用于电池供电的便携式仪器。 MSP430F413分别通过P1.4、P1.5和P1.6连接到AD7705的SCLK、DIN和DOUT，形成三线接口。 P1.3为低电平时，选择AD7705完成模数转换、校准和数据读取功能。 模数转换完成后，可以从P1.7读取DRDY引脚的电平变化，从而使系统做出应用响应。 由P6.5、P6.4和AD7416组成的I2C总线可以采集本地温度数据。 MSP 430f413的P3、P4和P5港口都有第二种功能。除了普通的输入/输出端口外，它们还可以驱动一个具有24个分段引脚和4个通信端口的液晶模块 在本设计中，显示部分采用六位笔段液晶显示器。 引脚R33、R23、R13和R03之间有三个1Mω；电阻分压器可以为液晶显示器提供参考偏置电压 每个字符的大小为15毫米×15倍；10毫米，因此在一定距离上读取数据很方便。 另外，按键分别连接到三个引脚P1.0、P1.1和P1.2，可以设置为中断模式，采样时间间隔、阈值和控制系统通过三个按键进入低功耗状态或工作状态。 微控制器的时钟信号由32.768千赫晶体振荡器和片内振荡器电路产生，从而降低功耗。 看门狗电路可以保证程序长时间正常运行。 如果系统每10秒收集一次数据，整个系统在一个周期内的平均电流为103.2μ；A 如果整个系统由3V/1AH电池供电，系统可以连续工作13个月。 如果数据采集频率降低，电池寿命可以进一步延长。 3.软件和系统实验书数字温度计系统软件由数据采集程序、定时器中断服务程序(入口地址为0FFE0h，优先级为0)、看门狗中断服务程序(入口地址为0FFF4h，优先级为10)、关键中断服务程序(入口地址为0FFE8h，优先级为4)、液晶显示程序和热电偶索引表数据组成 系统中的单片机工作时处于活动模式，工作间隙可以设置为低功耗模式2，以降低功耗，达到延长电池寿命的目的。 由于MSP430F413芯片中的只读存储器只有8k字节，因此不可能完全存储分度表的数据。因此，在一定的误差范围内，近似线性部分可以由虚线段的分段来近似。 对于曲率较大的曲线，切比雪夫近似表达式可用于编程计算。 由于测量的环境温度和局部温度不会在工业环境中突然变化，因此可以间隔测量和显示温度。 数据采集程序的算法具有自适应特性。因此，当某一温度在单位时间间隔内超过设定的阈值时，MSP430F413将缩短采样时间间隔以加快采样频率，并通过蜂鸣器U1和发光二极管D1发出声光报警信号 实验表明，AD7416具有较高的灵敏度，可以通过平滑局部温度数据来减少误差。 msp430f413单片机程序可以用c语言编写，可读性强，便于移植。 该程序可以由国际癌症研究所的国际癌症研究所嵌入式工作台和IAR斯皮德克尔编译成机器代码。 IAREmbeddedWorkbench系统的软件包括MSP430F413单芯片头文件msp430x41x.h和in430.h，该文件定义了芯片上特殊功能寄存器、操作模式、输入和输出寄存器、定时器、系统时钟、电源管理、比较器、液晶显示寄存器、看门狗定时器、中断向量和库函数的名称。 程序代码可由计算机通过MSP 430闪存仿真工具的JTAG接口写入片内闪存。 由于MSP430F413单片机的JTAG接口支持在线编程，因此在编写程序的同时升级现有程序非常方便。 系统的主流程图和定时器中断服务程序的数据采集流程图如图3所示。 图3系统主流程和定时器中断服务程序数据采集流程图4结论系统的精度和分辨率主要取决于传感器和a/d芯片的精度和分辨率 As 数字应用中使用的变换不能完全消除误差，还应注意消除冷端温度或冷端补偿引起的误差以及测量温度时连接补偿导线的误差，同时应注意电路误差和噪声、绝缘电阻、热阻等引起的误差。 根据实际需要，可采用高稳定性热电偶和精度为1℃的局部温度传感器，可在一定温度范围内提高精度。 该系统以MSP430F413和AD7705为核心，实现了低功耗、高精度便携式温度计的设计。 对于便携式仪器，该设计实现了低成本、宽测温范围条件下的低功耗、高精度要求，具有一定的实用价值。 目前，该电路已经投入使用。实践表明，全便携式低功耗高精度数字温度计使用方便，运行稳定，待机时间长，具有广阔的应用前景。

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