热电偶传感器测温系统的设计应用

(4) ICL7109与89C51的接口

本系统采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接输出方式。振荡器选择端(即OS端，24脚)接地，则7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于58分频后的振荡器频率，外接晶体为6MHz，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。积分时间=2048×时间周期=20ms，与50Hz电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz的串模干扰。

在模拟输入信号较小时，如0～0.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15μF，则CAZ=2CINT=0.33μF。

由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为0～5V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF间选择。积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值(当电流为20μA、输入电压=4.096V时，RINT=200kΩ)，此时基准电压V+RI和V-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。

本电路中，CE/LOAD引脚接地，使芯片一直处于有效状态。RUN/HOLD(运行/保持)引脚接+5V，使A/D转换连续进行。

A/D转换正在进行时，STATUS引脚输出高电平，STATUS引脚降为低电平时，由P2.6输出低电平信号到ICL7109的HBEN，读高4位数据、极性和溢出位；由P2.7输出低电平信号到LBEN，读低8位数据。本系统中尽管CE/LOAD接地，RUN/HOLD接+5V，A/D转换连续进行，然而如果89C51不查询P1.0引脚，那么就不会给出HBEN、LBEN信号，A/D转换的结果不会出现在数据总线D0～D7上。不需要采集数据时，不会影响89C51的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。

(5)显示电路

采用3位LED数码管显示器，数码管的段控用P1口输出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。7407是6位的驱动门，它是一个集电极开路门，当输入为“0”时输出为“0”；输入为“1”时输出断开，须接上位电路。共用两片7407，分别作为段控和位控的驱动。数码管选共阳极接法，当位控为“1”时，该数码管选通，动态显示用软件完成，节省硬件开销。硬件原理如图1所示。



2、软件设计

ICL模块：从A/D转换器读取结果的模块，它连续读3次，读出3个结果分别存放于内部30H～35H单元(双字节存放)。

WAVE数字滤波模块：它是将ICL模块输出的3个结果排序，取中间的数作为选用的测量值。此模块可以避免因电路偶然波动而引起的脉冲量的干扰，使显示数据平稳。

MODIFY模块：它是补偿热电偶冷端器25℃时的量值，相当于仪表中的零点调到25℃，称此模块为零点校正模块(此温度为室温)。YA查表模块：它是核心模块。表格数据是按一定规律增长的数据(0～655℃)，表格中电压值与温度值一一对应，表格中的电压值是热电偶输出信号乘以放大倍数(150)以后的结果，变成十六进制数进行存放，低位在前，高位在后，因而它的数据地址可以代表温度值，用查找的内容的地址减去表格首地址0270H后再除以2(双字节存放)即为温度值。此数据为十六进制数还需进行二十进制转换(CLEAN)，再送显示器显示。
　
查表法：采用二分查找法，DP先找对半值(MIDDLE)同转换数据比较(COMPARE)，看属哪一半，修改表格上下限值，再进行对半比较，经过若干次后，直到找到数据为止，如果找不到，也就是说被转换数据介于表格中两相邻值之间，则再调用取近值模块(NEAR)，选择与被转换数据接近的那个数据作为查找到的数据，然后调用温度值模块(FIND)，整个查表模块就完成了从输入到输出的变化。

DIR：采用动态3位显示，显示时间由实验测定，各模块设计完成后要进行测试，尽量使其内聚性强、模块间耦合性强，并采用数据耦合。

二、恒温炉控制器

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。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的±1℃，现场使用方便。其主要性能指标为：温度可调范围在10～50℃之间；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。

1、硬件设计

该控制器是以89Ｃ51为控制核心，以电磁阀为驱动部件，以及温度采样、热电偶信号采样、显示等电路组成。系统框图如图2所示。



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，将由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约为400μｓ，精度可达025。

ＡＤ7416的接口方式为Ｉ2Ｃ/ＳＭＢＵＳ，温度测量范围为-55～125℃之间，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5.3.3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。