數字溫度計應用電路原理圖

　　在冶金、石油、化工、機械製造和國防等行業中，往往需要測量－200℃～1000℃氣體、液體等環境中的溫度。以前一般採用玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、熱電偶、熱電阻和非接觸式溫度計等進行溫度測量。其中熱電偶的溫度測量範圍較寬，它無需使用驅動電源即可直接產生電壓（溫差電勢）信號，該信號既可用直流測量儀器（如電位差計、數字電壓表、毫伏計等）讀取，以通過熱電偶溫度特性分度表查出對應的溫度；也可以用線性校正電路將小信號電壓放大後，通過顯示儀表的刻度讀數。在某些輸油、輸氣管道應用中，往往要求對溫度進行長時間監測，且要求能夠快速準確地讀數。此時，上述各類溫度計則難以勝任。而如果將熱電偶產生的熱電動勢轉換成數位訊號後由單片機進行數據處理，並通過液晶來顯示其溫度結果，這種方法反應迅速，測量精度高，功耗小，顯示直觀。因此，由熱電偶、A/D轉換電路、單片機和液晶模塊組成的數字式低功耗高精度溫度計可以代替各種機械式溫度計來完成特殊情況下的溫度測控工作，且便於實現小型化設計。

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　　硬體電路設計

　　在測量過程中，熱電偶產生的一般是相對於冷端的溫差電動勢。工業標準一般規定冷端的溫度為0℃。而在實際使用中，將冷端放入冰水混合物中並不方便。如果本地溫度不為0℃，則溫差電動勢就可能偏大或偏小。因此，實際電路通常需要對溫差電動勢進行溫度補償。該可攜式低功耗、高精度數字溫度計的整個系統由四部分組成：第一是熱電偶；第二是AD7705(＄5.1240)、AD589(＄2.0760)組成的數據採集電路，其中A／D轉換電路的作用是將熱電偶產生的熱電動勢轉換為數位訊號；第三部分是AD7416(＄1.2000)，由它可測量冷端溫度，並由此計算出補償電壓；第四部分是MSP430F413(＄1.5188)和六位筆段式液晶顯示器組成的控制和顯示電路。具體的電路原理圖如圖1所示。為了達到低功耗高精度之目的，本設計方案中所選的晶片都具有低功耗模式，可以在測量間隙工作於省電模式。下面對各部分電路加以具體說明。

　　

　　圖1 可攜式低功耗高精度數字溫度計原理圖

　　熱電偶

　　本設計中選用K型或J型鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶。它們比較適用於氧化及弱還原性環境中的測溫系統，其測溫範圍為－200℃～1000℃，熱電動勢範圍為－9.835mV～76.358mV，由於這些熱電偶具有穩定性好，靈敏度高，價格低廉等優點，因而非常適合於可攜式測溫儀表的使用。圖2為鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶的熱電動勢－溫度曲線，經過分析，其準確度可達±0.1℃，在－150℃時，其靈敏度可達38μV／℃。

　　

　　圖2 鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶熱電動勢－溫度曲線

　　數據採集電路

　　在這一部分電路中，AD7705是用於低頻測量系統的前端器件，它解析度高，且有節電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片內還有數字濾波電路、校準電路和補償電路，因而能更好地保證高精度的實現溫度測量。AD7705使用2.7V～3.3V單電源，它有兩個模擬差分輸入通道，在電源為3V、參考電壓為1.235V的情況下，雙極性輸入信號的最大幅度範圍為 0～±10mV（Gain＝128）到0～±1.235V（Gain＝1）。另外，AD7705還可直接接收傳感器產生的小信號以進行A／D轉換並輸出串行數位訊號。它採用Σ－Δ技術來實現16位A／D轉換。採樣速率由MCLKIN端的主時鐘和放大器的可變增益來決定。實際上，AD7705同時可以對輸入信號進行片內放大、調製轉換和數字濾波處理。其數字濾波器的阻帶可編程控制，以便調節濾波器的截止頻率和輸出數據更新速率。

　　此濾波器的響應類似於中值濾波器的響應，但下降沿更為陡峭。由於數字濾波器的輸出速率和濾波器幅頻響應的第一個凹點頻率一致。因此，當輸出速率為25Hz 時，濾波器第一個凹點也為25Hz。另外，（sinx／x）3濾波器也能抑制第一個凹點頻率的諧波成分，抑制量大於40dB。當FS0和FS1分別為 0，1時，其輸出速率和第一凹點頻率為25Hz，－3dB點時為6.55Hz。如果被測環境溫度變化緩慢，那麼在模數轉換過程中，該電路便能有效抑制大於 6.55Hz的幹擾信號，其中包括50Hz的幹擾信號。

　　當AD7705工作電壓為3V，片內可編程放大器增益設置為1時，A／D的精度為16位，最小分辨電壓為 37.69μV（1.235V×2／65536）。而熱電偶每變化1℃（－150℃～1000℃）的輸出熱電動勢變化為38μV～81μV／℃，大於 AD7705的最小分辨電壓。所以，系統的解析度可達到1℃，能夠滿足絕大多數工業測量要求。由於AD7705可直接對－0.6175V～0.6175V 電壓進行模數轉換，因此，當熱電偶測量小於0℃的溫度且熱電動勢小於0V時，它不需額外的電路也能正常工作。

　　AD589是AD7705的電壓參考源。AD589是價格低廉的雙端器件，它能提供帶有溫度補償特性的1.235V帶隙參考電壓輸出。其片內元件匹配和熱跟蹤特性使AD589具有很高的穩定性。此外，AD589的輸出阻抗比普通的低溫度係數齊納二極體低10倍，因此，即使負載發生變化，該電路也可以在無需外部器件的情況下維持很高的精度。

　　本系統以MSP430F413、AD7705為核心實現了低功耗高精度可攜式溫度計的設計。對於可攜式儀器，本設計實現了低成本寬測溫範圍條件下的低功耗高精度要求，具有一定的實用價值。目前此電路已投入應用，實踐表明，整個可攜式低功耗高精度數字溫度計使用方便，工作穩定，待機時間長，具有廣闊的應用前景。