工业便携式低功耗高精度数字温度计设计(1)

在冶金、石油、化工、机械制造、国防等行业中，经常需要测量环境温度在-200℃ ~ 1000℃之间的气体、液体等。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。在一些石油和天然气输送管道应用中，经常需要长时间监控温度，并且能够快速准确地读取。此时，上述类型温度计无法胜任。然而，如果将热电偶产生的热电动力转换成数字信号，则单片机进行数据处理，并通过液晶显示其温度结果，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完成特殊情况下的温度测控工作，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.硬件电路设计

在测量过程中，热电偶通常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。如果局部温度不是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

在这种设计中，钾型或J型镍-铬-铜-镍(康铜)热电偶。它们更适合氧化和弱还原环境中的温度测量系统。温度测量范围为-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38 μ V/℃。

图2镍铬铜镍(康铜)热电偶热电势-温度曲线

2.2数据采集电路

在这部分电路中，AD7705是低频测量系统的前端器件。它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。采用σ -δ技术实现16位模数转换。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，滤波器的凹点也为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。如果测得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 (1.235v × 2/65536)。而热电偶每1℃(-150℃～1000℃)输出温差电动势从38 μ v变化到81 μ v/c，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，可以提供带温度补偿的1.235伏带隙基准电压输出。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。

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