基于K型熱電偶的帶式傳感器測溫系統

摘要:介紹一種基于K型熱電偶的帶式傳感器測溫系統,以數字溫度傳感器DSI8B20作為K型熱電偶的冷端補償,并由多路的測溫系統構成帶式傳感器陣列。仿真實驗結果表明，該測試系統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技術的發展，在日常生活和工業生產中，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就很有必要。
　　本文采用K型熱電偶作為測溫元件，用數字溫度傳感器DS18B20作為溫度補償，將采集的信號經過內部數字化處理后，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。該測溫系統結構明確，可以非常容易實現多路測溫，輕松地組建傳感器網絡。
1系統硬件整體結構設計
　　本文所研究的帶式傳感器陣列，由相對獨立的4個測試節點組成帶式傳感器。每個測試節點包括K型:熱電偶、運算放大器、濾波、A/D轉換、數字溫度傳感器DS18B20及相應的信號調理電路,每條傳感器測試帶上設置有一個行測試帶信息管理模塊，每一行內的測試節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進行測試節點單元傳感器信號的采集，經過內部數字化處理后，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，構成由4×4個測試節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。系統整體結構框圖如圖1所示。

2系統各單元模塊設計.
2.1測試單元模塊設計
　　熱電偶溫度計屬于接觸式溫度測量儀表，是根據熱電效應即塞貝克效應原理來測量溫度的，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之間就產生一熱電勢EAB[t，t0),這種現象稱為塞貝克效應，即熱電效應。本文選用K型熱電偶作為測溫模塊。
　　本設計選用數字溫度傳感器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字溫度傳感器。可通過數據線供電，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運放設計和體積小巧使其應用范圍廣泛，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轉換采用ADS1115。ADS1115為具有內部基準的超小型、低功耗、16位模數轉換器。ADS1113/4/5在設計時考慮到了精度、功耗和實現的簡易性，具有一個板.上基準和振蕩器。數據通過一個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信息管理模塊設計
　　信息管理模塊主要負責對測試節點傳感器信號的采集和處理，并與上位機進行數據通信，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內核的微處理器對信息管理模塊數據采集進行控制，對傳感器信號進行A/D轉換、數據處理，然后通過485總線將數據輸出。
2.3適配器模塊設計
　　整個適配器通信模塊采用C8051F410作為微控制器，采用CP2200作為以太網控制器。系統提供RJ-45接口與網絡連接，完成對網絡數據的收發工作。系統硬件電路設計簡圖如圖5所示。

3軟件系統設計
　　首先，關閉單片機看門狗，初始化定時器，規定單片機10ms采集一次數據，初始化串口為方式一，循環采集16個傳感器的數據，打包以后放到隊列當中，通過RS-485通信上傳給上位機，由上位機讀取數據。主程序流程圖如圖6所示。

4結論
　　本文選用的K型熱電偶測溫范圍廣、價格低廉、重復性好、產生的熱電勢大，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。因此，在工廠、醫療、倉庫等各種需要多點測溫的場所中有著廣闊的運用前景。