基于K型热电偶的精度高测温放大电路

摘要:针对K型热电偶输出电压为微伏级别，本文设计了一种基于K型热电偶测温的放大电路。该设计通过LM35温度传感器对冷端进行了温度补偿，放大电路采用集成放大芯片AD7523，具有最高放大256倍的增益，采用精度高16位ADC转换芯片ADS1148,使用STC90C58AD单片机作为主控芯片，对K型热电偶进行了线性拟合，通过驱动LCD1602液晶对温度进行显示。
引言
　　K型热电偶作为一种温度温度传感器，其材料主要采用镍铬-镍硅合金构成，由于镍铬一镍硅合金具有较好的高温抗氧化性，因此K型热电偶可用来长期测量高温。K型热电偶具有测温范围广、热电动势大、灵敏度高、线性度好、抗氧化能力强和价格便宜等优点，是工业自动化控制中常用的测温工具。
　　本文K型热电偶测温范围为-50℃~450℃，以STC90C58AD作为装置的微处理器，使用具有256倍高增益芯片AD7523对K型热电偶输出信号进行放大，采用精度高的16位的ADS1148作为ADC将放大信号进行模数转换，输出16位数字量经STC90C58AD单片机处理后驱动LCD1602进行温度显示。
1电路工作框图
　　电路框图如图1所示，K型热电偶所测温度为热端与冷端的温度差，在实际测量时，还需要求得冷端温度值，冷端温度由精密集成温度传感器LM35进行补偿，其输出的电压与摄氏温度线性度非常好。因此，LM35要比其他线性温度传感器优越。其输出电压进行分压后使其电压与温度比和K型热电偶相同，输出连接K型热电偶冷端，K型热电偶热端输出电压信号经高增益放大器AD7523放大后，再由16位精度高ADC转换芯进行模数转换得到16数字量数据，单片机对数据处理和转换后驱动LCD1602液晶.进行温度显示"。
 
2K型热电偶测温电路原理
　　K型热电偶测温电路框图如图2所示，K型热电偶在连接放大器AD7523之前，信号先经过前置滤波电路对信号进行滤波，以衰减热电偶.上的噪声，提高温度精度。滤波后的信号经AD7523可编程增益.放大器进行放大，输入为差分输入，能很好地抑制共模噪声，放大之后的信号再由高度集成的16位精度高的ADC芯片进行转换，获得16位的温度数字信号，将数字信号传给单片机，单片机经处理计算并对热电偶进行线性拟合后,驱动LCD1602液晶显示屏将温度值显示出来。
 
2.1热电偶冷端补偿电路
　　由热电偶测温原理可知，热电偶热端-*般固定在被测物体上,冷端暴露于空气中,冷端处于环境温度中，被测物温度是冷热端温度差与环境温度的和值。冷端温度受环境因素的影响并非一个固定值，所以需要对冷端进行温度补偿2。常用的冷端有3种:
(1)补偿导线法
　　为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热.电偶导线做得很长，使冷端远离工作点，处于恒温环境中，这样热端电势就是温度的单一函数。但此方法安装不太方便，且冷端温度保持恒定也给设计带来不方便。
(2)电桥补偿法
　　如图3所示，将一个由直流电压供电的不平衡电桥串接于热电偶的测量电路中，令温敏电阻Rt与冷端连接处于环境中，平衡电桥输出电势可以抵消冷端温度变化带来的影响,达到冷端补偿的目的，Rt-般放在测量仪表接线端子上，热电偶接线盒与测量仪表间用补偿导线连接。该方法用热敏元件进行冷端补偿。将引入1C以上的误差，测量成本与补偿导线的长度有关，导线较长时，费用很高。
 
　　本文使用LM35集成温度传感器作为冷端补偿，电路如图4所示。LM35为电压型输出温度传感器，测温范围为-50℃~150℃，温度每上升1"C,输出电压增加10mV，而K型热电偶的灵敏度为40μV/℃。为了使冷端t1电势随温度变化与K型热电偶变化一致,对LM35输出电压进行分压处理，调节RP1使t1点电势E=VOUT/244,此时冷端电势变化为40μV/C，,即可达到冷端温度补偿的目的。
2.2可编程高增益放大器AD7523
　　AD7523是一款高增益的集成放大器，采用差分输入模式，具有很强的抑制零点漂移及抑制共模噪声与干扰的能力。AD7523集成的低噪声可编程增益最高可达到256倍，能很好的将K型热电偶输出的微弱信号放大到数模转换芯片AD7523所需要的电压值，AD7523的高集成度、低噪声和高增益放大位数，很好的简化了电路模块,对增强电路稳定起到很大作用。
2.3精度高ADC转换芯片ADS1148
　　K型热电偶电压信号输出端接ADS1148的输入端，电路采用差分输入方式可以有效地消除导线电阻对测量精度的影响，电路的输入端设计了滤波电路，用来滤除电路噪声,提高测量精度。ADS1148是16位的集成精密ADC芯片，主控单片机与通过控制信号实现ADS1148的ADC转换，转换完成后数据采用SPL总线进行通信。
2.4线性拟合
　　K型热电偶的热电势与温度存在非线性关系，材料本身的电阻非线性也会影响输出的精度，导致热电偶输出电压与实际测量温度存在误差,为了提高测量精度，本文采用了Matlab软件对热该测温装置数据进行线性拟合和校正，并对温度分断进行了线性拟合,使温度误差得到了很好的改善B。分段线性拟合区间分别为[-50℃~-20℃]、[-20℃~10℃]、[10℃~-300℃]、[300℃~-450℃],
得到的温度与热电势关系式为:
温度为[-50℃~-20℃)时:
T-0.0265V+1.2747+Tt(1)
温度为[-20℃~10℃)时:
T-0.0251V+0.0105+Tt(2)
温度为[10℃~300℃)时:
T-0.0239V+0.4762+Tt(3)
温度为[300℃~450℃)时:
T=0.0230V+12.422+Tt(4)
2.5控制显示模块
　　LCD液晶显示屏连接电路图如图5所示，1、2号引脚分别为电源地和电源,3号引脚通过电位器接地可调节显示器对比度，4号引脚RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器，5号引脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，6号引脚EN为使能端，7~14号引脚为双向数据端，LCD1602可显示2行字.符，每行字符数8311个符合对温度数据的显示。
LCD1602的基本操作分为四种:
1.读状态:输入RS=0,RW=1,E=高脉冲。输出:D0~D7为状态字。
2.读数据:输入RS=1,RW=1,E=高脉冲。输出:D0~D7为数据。
3.写命令:输入RS=0，RW=0，E=高脉冲。输出:无。
4.写数据:输入RS=1,RW=0，E=高脉冲。输出:无。
 
3结束语
　　本文设计了一种基于K型热电偶测温放大电路，该放大电路具有电路简易，测温范围广且测温精度高，测温范围-50℃~450℃，测温精度能达到0.05℃。且装置多使用精度高的集成芯片，使电路结构简单化，测温精度高和稳定性能好，便于维护并适合在不同环境中运行。装置运用的冷端补偿对前端和线性拟合方法，对简化电路和精度提高起到很大作用。