基于K型热电偶的带式传感器测温系统

摘要:介绍一种基于K型热电偶的带式传感器测温系统,以数字温度传感器DSI8B20作为K型热电偶的冷端补偿,并由多路的测温系统构成带式传感器阵列。仿真实验结果表明，该测试系统具有良好的测试精度,性能可靠,可对高温物体的多点温度进行实时测量,具有良好的工程化价值。
0引言
　　随着科技的进步和科学技术的发展，在日常生活和工业生产中，常常需要对高温物体的多点温度进行实时、准确地测量。而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，且温度信息传递慢，精度低。在这样的情况下，开发一种能同时测量多点温度，且实时性高、精度高的多点温度信息的测量系统就很有必要。
　　本文采用K型热电偶作为测温元件，用数字温度传感器DS18B20作为温度补偿，将采集的信号经过内部数字化处理后，通过RS-485总线互连并传送至适配器。整个适配器通信模块采用C8051F410作为微控制器。该测温系统结构明确，可以非常容易实现多路测温，轻松地组建传感器网络。
1系统硬件整体结构设计
　　本文所研究的带式传感器阵列，由相对独立的4个测试节点组成带式传感器。每个测试节点包括K型:热电偶、运算放大器、滤波、A/D转换、数字温度传感器DS18B20及相应的信号调理电路,每条传感器测试带上设置有一个行测试带信息管理模块，每一行内的测试节点与行测试带信息管理模块相连，行测试带信息管理模块负责进行测试节点单元传感器信号的采集，经过内部数字化处理后，通过RS-485总线互连并传输至适配器。4行传感器测试带平行排列组合在一起，构成由4×4个测试节点组成的带式传感器阵列，由此满足多点测试的要求。带式传感器阵列的电源通过共用的总线提供。系统整体结构框图如图1所示。

2系统各单元模块设计.
2.1测试单元模块设计
　　热电偶温度计属于接触式温度测量仪表，是根据热电效应即塞贝克效应原理来测量温度的，是温度测量仪表中常用的测温元件。将不同材料的导体A.B接成闭合回路，接触测温点的一端称测量端,一端称参比端。若测量端和参比端所处温度t和t。不同，则在回路的A.B之间就产生一热电势EAB[t，t0),这种现象称为塞贝克效应，即热电效应。本文选用K型热电偶作为测温模块。
　　本设计选用数字温度传感器DS18B20作为K型热电偶的冷端补偿模块。DS18B20为可编程分辨率的单总线数字温度传感器。可通过数据线供电，供电范围为3.0~5.5V,测温范围为-55℃~+125℃，精度为+0.5℃，传感器分辨率可被使用者选择为9~12位。DS18B20的连接电路图如图2所示。。

　　运放部分选用精密、低功耗仪表放大器INA128。它通用的3运放设计和体积小巧使其应用范围广泛，反馈电流输入电路即使在高增益条件下也可提供较宽的带宽，单个外部电阻可实现从1~10000的任一增益选择。INA128的连接电路图如图3所示。

　　A/D转换采用ADS1115。ADS1115为具有内部基准的超小型、低功耗、16位模数转换器。ADS1113/4/5在设计时考虑到了精度、功耗和实现的简易性，具有一个板.上基准和振荡器。数据通过一个I'C兼容型串行接口进行传输，可以选择4个IFC从地址。ADS1113/4/5采用2.0~5.5V的单工作电源。ADS1115的连接电路图如图4所示。

2.2信息管理模块设计
　　信息管理模块主要负责对测试节点传感器信号的采集和处理，并与上位机进行数据通信，接收上位机指令并将采集到的信息传送到适配器中进行保存或供上位机进行实时观察。采用8051内核的微处理器对信息管理模块数据采集进行控制，对传感器信号进行A/D转换、数据处理，然后通过485总线将数据输出。
2.3适配器模块设计
　　整个适配器通信模块采用C8051F410作为微控制器，采用CP2200作为以太网控制器。系统提供RJ-45接口与网络连接，完成对网络数据的收发工作。系统硬件电路设计简图如图5所示。

3软件系统设计
　　首先，关闭单片机看门狗，初始化定时器，规定单片机10ms采集一次数据，初始化串口为方式一，循环采集16个传感器的数据，打包以后放到队列当中，通过RS-485通信上传给上位机，由上位机读取数据。主程序流程图如图6所示。

4结论
　　本文选用的K型热电偶测温范围广、价格低廉、重复性好、产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性度很好，非常适合用于工业测温。本文所提出的利用带式传感器组成传感器阵列，进行多点测温，具有精度高、实时性好等特点，适用于各种温度检测和控制系统。因此，在工厂、医疗、仓库等各种需要多点测温的场所中有着广阔的运用前景。