1 引言
温度的显示与控制在工业生产中极为重要,而目前温度传感器种类较多。目前有热电阻、热电偶等温度传感器。另外,还有温度变送器送入的标准信号,对于目前Ⅲ型仪表为:4-20mA[1]或1-5V两种。因此,如果不同的温度输入信号采用不同的的温控显示仪,将会带来制造成本高,使用维护保养不方便等缺点。本文将介绍一种基于单片机的多功能测温前置电路。
2 测量原理
本机前置电路测量原理为:采用输入信号首先接入电阻网络电路,通过不同的跳线,,输出的信号经CD4052多路选择开关和差分放大器放大后,接入AD转换模块。4052的开关的选通,由单片机PIO口控制。
2.1 电阻网络电路(见图1):
具体原理为:
1. 当使用PT100热电阻作传感器时,跳线器S1-1、S2-2、S3-2接通,热电阻通过三制接PORTA、PORTB、PORTC,与R3、R4、R8形成单臂电桥[2],将电阻信号转换为电压信号,在REF处输出电桥参考端电压,MEASURE输出实际测量电压。分别经CD4052选通后,由差分放大器放大后,AD转换后给单片机,得到温度值。
2. 当使用K分度的热电偶时,跳线器S2-1、S3-2、S4-1接通,PORTC接热电偶正极,PORTB接热电偶负极,在MEASURE处输出热电偶的电压信号,参考端由S4-1接地,同样经CD4052选通后,由差分放大器放大后,AD转换后给单片机,得到热端温度。
另外,对于热电偶电路设计中,有一问题必须加以注意:这就是断偶报警！如热电偶在高温时断开,会使输出显示变为低温。这时,控制器将按温度过低进行调节,从而产生误动作,甚至会引发严重事故。
为避免上述事故发生,.因此,该电路在输入回路接入了断偶报警电阻R2。热电偶正常工作时,因R2(20M电阻)比其它电阻值高很多,因而它的分流作用很小,对热电偶产生的热电势影响可忽略。但当热电偶断开时,2.5V电源电压将通过R2在PORTC处产生一电压,远高于一般热电偶产生的热电势,这时控制器将按温度过高,来进行调节,从而避免事故发生[3],同时,报警电路工作,提醒断偶或超温。
热偶的冷端补偿将在介绍CD4052时进行说明。
3. 当使用标准的电流信号(4-20mA)时,跳线器S1-2、S3-1、S4-2接通,PORTA处可提供24V直流电源供外面的变送器使用,PORTC接正极,PORTB接负极,标准电流信号在R5(250)产生1-5V电压信号,经R6、R9、R10分压滤波后,在ER处输出。经CD4052选通后,无需放大,直接送AD转换器。
4. 当使用标准电压信号(1-5V)时,跳线器S1-2、S3-1、S4-1接通,同样PORTA处可提供24V直流电源供外面的变送器使用,PORTC接正极,PORTB接负极,1-5V标准电压信号直接加在A点,经R6、R9、R10分压滤波后,在ER处输出。同样经CD4052选通后,直接送AD转换器。
2.2 CD4052电路分析
以上介绍了电阻网络电路的不同的跳线方法,不同的温度信号还需要通过CD4052分别选通,至后级信号放大电路、和AD转换电路。具体接线方式见图2。
不同的信号接入后级电路,由CD4052第9、10引脚电平0、1的不同组合来实现,这两个引脚分别受单片机P3.7、P3.6来控制,具体阐述如下:
1. 当使用PT100热电阻作传感器时,P3.7=1;P3.6=0,CD4052的X2脚(第15脚)与X(第13脚)接通,X2脚上的MEASURE信号,经X脚接入差分放大器输入的INPUT一端,REF参考端电压直接与差分放大器输入的另一端相连。差分放大后的电压ROUT信号联至CD4052的Y2(第2脚),同时Y2脚也与Y(第3脚)接通,该信号被送至AD转换电路OUT端。
2. 当使用热电偶做传感器时,P3.7=1;P3.6=0,CD4052的X2脚(第15脚)与X(第13脚)接通,同上,X2脚上的MEASURE信号,也经X脚接入差分放大器INPUT一端。但此时REF参考端电压已通过跳线变为0V。同样,放大后的电压信号ROUT送至CD4052的Y2脚,也由Y脚送至AD转换电路,经计算机计算查表后,得到热端温度。
但热电偶需要考虑冷端补偿,单片机令P3.7=0;P3.6=0,这时D3二极管上的冷端补偿电压通过Y0连通Y脚,输入AD转换电路,转换后的数据在单片机中查表,即可得到冷端温度[3][4]。
AD转换电路两次转换的数值,在单片机内进行运算,即可得到正确的测量值。
3. 当使用标准的电流信号(4-20mA)、电压信号(1-5V)时,P3.7=1;P3.6=1,CD4052的Y3脚(第4脚)与Y(第3脚)接通,信号无需进行放大,ER处的电压直接送入AD转换电路。
4. 样机还可实现对差分放大器校零,具体办法为:P3.7=0;P3.6=1,差分放大器两端输入相同,输出为零,Y1脚与Y(第3脚)接通,校零信号送至AD转换电路。
以下表格1为不同输入信号下,跳线、P3.7和P3.6、CD4052状态比较:
3 程序流程图
有关设定参数存于AT93C66存储器中[5][6],开机后,程序根据93C66中设定的参数选通CD4052电子开关,进入测控程序。如因更换温度输入信号,需要重新设置相关参数,可按相关设置按键,进入设定程序,进行修改。
流程图如图3:
4 结束语
本前置电路的设计,可满足多种温度信号测控的功能,采用了硬件跳线器改变接入线路,同时又可通过软件设计,对其进行选择,具有较广的使用范围。
对于不同的温度输入信号,采用同一种测量仪表,对于用户来说,既可以使控制设计结构简单,还可减少了备品备件数量,大大降低了成本,又减轻了维修保养人员的工作量。
参考文献:
[1] 上海自动化仪表销售网.温度变送器.http://www.40017.net/
[2] 郭妍,王明辉.热电阻的应用[J].黑龙江科技信息,2011,(1):26.
[3] 包晔峰,单明东,杨可,蒋永锋.基于PN结的热电偶补偿电路设计[J].电子测量技术 2010,(11):13.
[4] 张建民.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[5] ATMEL AT93C66.PDF[J].http://www.atmel.com, 2004,4.
[6] 周立功.CAT93C46 应用设计汇编及C51软件包[J].广州周立功单片机发展有限公司,2003,12.
作者简介:卞云松(1971-),男,工程硕士,研究方向:工业控制及自动化。