热电偶温度传感器的应用探析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：在人工预设加热温度值后，控制器能准确地把温度控制在设定值±1℃，现场使用方便。数字温度采样电路本系统中使用AD公司的产品AD7416，它由带隙温度传感器、10倍A/D转换器、温度值寄存器、可设点比较器、故障排队计数器等组成。传感器将温度转换成电压，再由A/D转换器转换成10位数字量送温度值寄存器。正常启动后，程序时刻监视热电偶的状态，若出现热电偶电压不足，则关闭主出气阀和加热阀，等待人工处理。

下面以恒温炉控制器为例，介绍一个典型的单片机控制的测温系统，它由3大部分组成：测量放大电路、A/D转换电路和显示电路。它广泛应用于发电厂、化工厂的测温及温度控制系统中。

1.硬件设计

此恒温炉主要由液化气提供热源，热效率高，且取暖费用低廉。在人工预设加热温度值后，控制器能准确地把温度控制在设定值±1℃，现场使用方便。其主要性能指标：温度可调范围为10℃～50℃；温度精度可精确到0.25℃；当环境中的氧含量低于某一值时，控制电路自动关闭加热炉，等待人工处理。

该恒温炉主要由89C51（控制核心）、电磁阀（驱动部件），以及温度采样、热电偶信号采样、液晶显示等电路组成。其系统框图如图7-14所示。

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图7-14　恒温炉控制器系统框图

89C51单片机，其指令系统与MCS-51完全兼容，且片内带有4KB的E2PROM，可以方便地构成一个最小系统。采样10位数字温度传感器，经CPU处理后，实时地显示在液晶屏上，热电偶电路时刻监视着是否有异常情况出现。

（1）数字温度采样电路

本系统中使用AD公司的产品AD7416，它由带隙温度传感器、10倍A/D转换器、温度值寄存器、可设点比较器、故障排队计数器等组成。传感器将温度转换成电压，再由A/D转换器转换成10位数字量送温度值寄存器。A/D转换器的一次转换时间约为400μs。

AD7416的接口方式为I2C/SMBUS，温度测量范围为－55℃～125℃，有节电工作方式，可用于电池供电。AD7416的地址由A0、A1、A2决定，地址格式为：1001A2A1A0R/W，最大可并联8片，本系统中只用了一片AD7416，连线方式如图7-15所示。因温度的惯性系数较大，可采用简便有效的移动平均值法、中值法、低通滤波法等进行软件滤波。实时采样和计算平均值，以平均值作为实际温度采样值。采样次数为8～16次。由于采用了数字温度传感器，完全打破了传统的设计模式，简化了设计方案，提高了系统的可靠性，方便地实现了标度变换。

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图7-15　采样电路

（2）热电偶反馈电路

因为加热器使用液化气为燃料，加热过程要耗氧，可能引起环境中的氧含量不足，所以在加热器加热过程中要时刻监视液化气燃烧是否充分。实验证明，当氧含量正常时，热电偶输出的电压在20mV以上，而当氧含量低于某一值时，热电偶输出的电压会在12mV以下。通过如图7-16所示的采样电路，把热电偶电压接入电路，检测结果为：当电压＞18mV时，电路输出端输出高电平；当电压＜13mV时，电路输出端输出低电平。

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图7-16　热电偶反馈电路

（3）其他外围驱动电路

其功能主要是把P1口输出的信号接入74LS07，由74LS07驱动固态继电器的输入端，继电器的输出端驱动两个电磁阀和一个电子脉冲打火器。为了控制恒温炉的温度并向系统输入数据，系统应附有键盘，并能完成温度的增减和恒温炉的启动与停止。另外还设有设置键，用于加热过程中重新设置温度。当恒温炉启动后，液晶屏即实时地显示所测量的温度值，出现异常情况显示故障状态。

2.软件设计

软件采用模块化结构。软件主要完成如下任务：扫描键盘，并按要求调出设定值或输入新的设定值，并判断是否启动，启动时首先打开加热阀供气，开启电子打火器，点火成功后，打开主出气阀，然后监视温度的变化，当温度超出设定温度值1℃时，关闭主出气阀，当温度低于设定温度1℃时，打开主出气阀。若点火不成功，则每隔15s重复上述启动过程，若3次点火不成功，关闭加热偶阀，在液晶屏显示故障状态。正常启动后，程序时刻监视热电偶的状态，若出现热电偶电压不足，则关闭主出气阀和加热阀，等待人工处理。

热电偶温度传感器的应用探析

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