热电偶温控表头.doc

热电偶温控表头单片机HT46R23 简介:这是我国台湾省盛群公司产的一款 8 位高性能精简指令集单片机，专门为需要 A/D 转换的产品而设计。例如：传感器信号输入。低功耗，I/O 使用灵活，可编程分频器、计数器，振荡类型选择，多通道A/D 转换，脉冲测量功能 I2C 通信，暂停和唤醒功能。使这款单片机可以广泛应用于传感器的 A/D 转换、马达控制、工业控制、消费类产品等系统中.主要特性:工作电压：fSYS=4MHz 2.2V5.5V，fSYS=8MHz 3.3V5.5V。最多可有 23 个双向输入/输出口。1 个与输入/输出口共用引脚的外部中断输入。16 位可编程定时/计数器具有溢出中断和7级预分频器。内置晶体和RC 振荡电路。看门狗定时器。4096*15 程序存储器ROM。192*8 数据存储器RAM。具有 PFD 功能可用于发声。HALT 和唤醒功能可降低功耗。在VDD=5V 系统频率为8MHz 时指令周期为0.5s。8 层硬件堆栈。8 通道10 位解析度(9 位精度)的A/D 转换器。2 通道(6+2) / (7+1) 位的PWM 输出与输入/输出口共用引脚。位操作指令。查表指令表格内容字长15 位。63 条指令。指令执行时间为 1 或 2 个指令周期。低电压复位功能。I2C 总线slave 模式。24/28-pinSKDIP/SOP 封装。本文介绍的单片机制作项目所使用的温度传感器为 K 型热电偶,这是一种稳定性和线性都比较好的金属传感器,价格低廉,可以工作在 -200 至 1300 的范围.本电路选择其工作在 0 至 999 范围.(推荐长期使用在 800 范围内,以免热电偶过快产生高温氧化.）整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机 A/D 转换和显示,控制,软件非线性校正等部分.工作原理:传感器的接入比较不同的是：针对热电偶是属于“温差发电”的原理,其分度表是在冷端0是定义的,这么一来,使用中也必须保证其的冷端处于 0 环境下,才能得到正确输出信号,从而给直接接入带来不便.在经典的热电偶应用中,往往都是通过另外一个可以对温度进行同步测量的网络（例如铜电阻,就可以利用其的正温度系数进行同步实时补偿）,来自动补偿热电偶冷端不是 0 的问题,这就是“冷端补偿”.本电路的冷端补偿可以从 0 到 100 进行自动补偿,运放输出仅仅使用两只电阻就可以取出补偿电压,没有多余的电压分量需要处理.运算放大器 LM358 配置一只廉价的硅 1N4148 二极管,就可以得到每 大约2mV 的补偿电压,当把 1N4148 放置在使用环境中且环境温度处于 0 时,调整 WR* 令 LM358 输出为0,就是 0 不补偿,随后,环境温度每身高 1 ,LM358 就会输出大约 2mV,经过 490+10的电阻分压,就可以取出每 约 40uV 左右的补偿电压.这个 40uV 就是 K型热电偶在 100 以下时大致的温度系数,不同分度号的热电偶,有不同的补偿电压,需要注意区分.按照图示接法,可以方便地做到随环境温度自动补偿的良好效果.（其实,LM358 的局部电路也是一个典型的恒流源馈电的测温电路）.从系统的 5V 供电端通过一支4M7 的电阻,就实现了防止热电偶断路的“断偶”保护,如果发生热电偶接触不良或者开路的情况,就会给 OP07 运算放大器输入一个远大于正常测量的电压,引起单片机处于显示“溢出”状态,提示操作人员引起注意.正常使用中,接在 OP07 输入端的电容器需要使用极小漏电的电容,这是因为热电偶的输出信号比较小,一丁点的漏电都会引起较大的测量误差,因此,本电路使用了 CBB 无极性电容.热电偶的输入信号通过放大约 118 倍后,就作为单片机 A/D 输入的信号了.有关对应关系见下面的表格：(说明：这里仅仅是摘录了部分表格,以说明有关数据.)温度热偶输出mV电压 mV/运放放大倍数运放输出mV1.00.040.0396041184.72100.14.10.040963118483.80200.08.140.040692118960.52300.012.210.0406961181440.78400.116.40.0409931181935.20500.120.650.0412891182436.70600.124.910.0415091182939.38700.029.130.0416131183437.34800.433.290.0415941183928.22900.137.330.0414731184404.94999.141.240.0412781184866.32从表格中的数据可以看出,热电偶的温度毫伏输出信号有比较大的非线性问题,而且是呈现“波浪”式的.这就要求单片机经过比较仔细的软件校正,才能作为正确数字显示出来.单片机的 10 位 A/D 在满度量程下,最大显示为 1023 字,为了得到 K型热电偶传感器的输出电压在显示 999 字时的单片机 A/D 转换输入电压,必须对传感器的原始输出电压进行放大,计算公式为：(999/1023 * Vcc)/热电偶输出电压 ,（Vcc系统供电5V）,可以得到放大倍数为 118 （注意：这是分析了整个测量量程后所取的一组计算参数,这组参数不是唯一的选择,不同的参数组合,就会有不同的放大倍数）.运算放大器仅仅使用一级放大,放大倍数为：原理图中 120K/0.47K+RW=118 倍,为了防止调整时的元器件及其他偏差,使用了一只精密微调电位器 RW=1K 对放大倍数进行细调,可以保证比较准确地调整到所需要的放大倍数.通常,在温度测量电路里,都会有一个“调零”和另一个“调满度”电位器,以方便调整传感器在“零度”及“满度”时的正确显示问题.本电路可以使用 LM358 的补偿调整电位器作为“零度”调整,使用 OP07 的放大倍数电位器调整满度,就可以保证整个工作范围的正确显示了.（如果不是冷端补偿的要求,热电偶就无需“零点”调整,因为 0 时就是输出 0 mV）.供电电压要求稳定：当供电电压发生偏差后,是否会影响测量准确度呢？回答是肯定的！供电变化后,并不会引起热电偶输出的电压发生变化,也不会使运算放大器的输出电压发生变化.可是,以此同时,单片机的供电也是在同步地接受到这种供电变化的,当单片机的 A/D 基准使用供电电压时,就意味着测量基准也在发生变化,因此,系统供电的变化在20mV时,就会影响测量显示达 4个字的误差.例如：供电5.000V 时：(4.866/5.00)*1023=996供电4.980V 时：(4.866/4.98)*1023=1000(溢出）从计算结果可以知道,电路对系统供电要求比较高,对具体的某一个电路硬件而言,如果不能找到恰好 5.000V 的供电电压（严格的说,三端稳压器 LM7805 就难以挑到这么要求一致的输出电压！这是不现实的）,可以通过微调放大倍数来达到使用要求.例如：当供电5.000V 时：(4.866/5.00)*1023=996,放大倍数4866/41.24118 倍.供电4.980V 时：(4.85/4.98)*1023=996,放大倍数4850/41.24=117.6 倍.这种做法的理由是：既然单片机的基准发生了变化,那么,按照其 A/D 转换的比例原理,我们也把输入到单片机的 A/D 信号电压来一个按比例变化,这样,就可以避免供电电压非 5.000V 不可了.从传感器前置放大电路输出的信号,就送入到 HT46R23 的 A/D 转换输入端口（PB0/AN0）,由单片机去进行各种必需的处理.首先是进行软件非线性校正,把输入信号按照不同的温度值划分为不同段,再根据其所在的段分别补上不同的数值,令其与理论值尽量接近,经过非线性校正的数字,才被送去进行显示,比较用户设定的控制值等等.非线性补偿数值见下列表格（仅仅列出主要段的数据,非全部表格内容）：温度热偶输出mV运放输出mV显示补偿1.00.044.721.00100.14.1483.8099.01200.08.14960.52196.53300.012.211440.78294.85400.116.41935.20395.94500.120.652436.70498.51600.124.912939.38601.4-1700.029.133437.34703.3-3800.433.293928.22803.7-4900.137.334404.94901.3-1999.141.244866.32995.63本电路还有一个特点,就是用户可以在工作范围内,任意设定 3 个超限控制值.当测量显示值大于设定值的时候,对应的控制端口就会输出高电平.利用这个高电平信号,再外接一级三极管驱动继电器的电路,就可以实现自动控制.在某一个控制端口输出高电平的同时,与之串联的 LED 发光管会同时点亮,以便提示使用者是哪一个设定值在输出控制信号.电路中的 24C02 是电存储器,可以把使用者设定的控制值可靠地保存起来,即使掉电也不会丢失数据.电路图中还有 3 只按键,它们分别是“设定”、“加置数”和“减置数”操作按键,用于使用者进行超限值的设置.使用方法如下：按动一下设定键,屏幕显示“1-”,表示现在进入第一个超限值的设置,三秒后屏幕自动跳转到显示“*”并闪烁(* 代表原来电存储器里储存的超限数值),然后,按压加数键(或减数键),屏幕上的最低位的数字就会加一(或减一),如果按住按键三秒以上不放开,屏幕上的前两位数字就会快速进行加数(或减数).把屏幕上的数字调整到所需要的数字后,这个超限值就设置完成了.接着,再按动一下设定键屏幕显示“2-”,表示现在进入第二个超限值的设置,三秒后屏幕自动跳转到显示“*”并闪烁.,接下来的操作与第一个超限值的操作完全一样.第三个超限值的设置与上面两个完全一样.当设置好 3 个超限值之后,还必须最后按动一下设定键,退出设定状态而返回正常工作状态.如果忘记了这最后一次按动退出的操作,程序就会等待 10 秒之后,自动返回正常工作状态.简易校准调试方法:把热电偶输入端的两个端子短接,另外使用一只温度计,微调 LM358 所属的电位器,令显示读数与参考温度计一致（显示环境温度）,然后,把热电偶端子从短路变为开路,直接往 热电偶的两个输入端子输入 4.63976V 的直流电压（使用 4.5 位电压表监视这个输入电压）,微调 OP07 所属的电位器,令显示950 再加上环境温度（这时冷端补偿已经有效,所以这里需要加上环境温度）.(说明：印刷板上面实际使用的运算放大器为高阻抗输入的低功耗双运算放大器 TLO72 ,其 1,2,3 引脚组成的放大器用于零点补偿,其 5,6,7 引脚组成放大器用于信号放大).这样,当把热电偶接上后,就会自动把冷端补偿值附加在热电偶的输入当中了.如果更换了新的