數(shù)顯溫度計設(shè)計電路圖（五）

在測量過程中，熱電偶產(chǎn)生的一般是相對于冷端的溫差電動勢。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)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并不方便。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(jìn)行溫度補(bǔ)償。該便攜式低功耗、高精度數(shù)字溫度計的整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集電路，其中A／D轉(zhuǎn)換電路的作用是將熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；第三部分是AD7416（＄1.2000），由它可測量冷端溫度，并由此計算出補(bǔ)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(dá)到低功耗高精度之目的，本設(shè)計方案中所選的芯片都具有低功耗模式，可以在測量間隙工作于省電模式。下面對各部分電路加以具體說明。

圖1 便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計原理圖

熱電偶

本設(shè)計中選用K型或J型鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶。它們比較適用于氧化及弱還原性環(huán)境中的測溫系統(tǒng)，其測溫范圍為－200℃～1000℃，熱電動勢范圍為－9.835mV～76.358mV，由于這些熱電偶具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低廉等優(yōu)點，因而非常適合于便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(jīng)過分析，其準(zhǔn)確度可達(dá)±0.1℃，在－150℃時，其靈敏度可達(dá)38μV／℃。

圖2 鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶熱電動勢－溫度曲線

數(shù)據(jù)采集電路

在這一部分電路中，AD7705是用于低頻測量系統(tǒng)的前端器件，它分辨率高，且有節(jié)電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片內(nèi)還有數(shù)字濾波電路、校準(zhǔn)電路和補(bǔ)償電路，因而能更好地保證高精度的實現(xiàn)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范圍為 0～±10mV（Gain＝128）到0～±1.235V（Gain＝1）。另外，AD7705還可直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號以進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號。它采用Σ－Δ技術(shù)來實現(xiàn)16位A／D轉(zhuǎn)換。采樣速率由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(jìn)行片內(nèi)放大、調(diào)制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理。其數(shù)字濾波器的阻帶可編程控制，以便調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)更新速率。

此濾波器的響應(yīng)類似于中值濾波器的響應(yīng)，但下降沿更為陡峭。由于數(shù)字濾波器的輸出速率和濾波器幅頻響應(yīng)的第一個凹點頻率一致。因此，當(dāng)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，抑制量大于40dB。當(dāng)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(huán)境溫度變化緩慢，那么在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，該電路便能有效抑制大于 6.55Hz的干擾信號，其中包括50Hz的干擾信號。

當(dāng)AD7705工作電壓為3V，片內(nèi)可編程放大器增益設(shè)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／℃，大于 AD7705的最小分辨電壓。所以，系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到1℃，能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測量要求。由于AD7705可直接對－0.6175V～0.6175V 電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此，當(dāng)熱電偶測量小于0℃的溫度且熱電動勢小于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(bǔ)償特性的1.235V帶隙參考電壓輸出。其片內(nèi)元件匹配和熱跟蹤特性使AD589具有很高的穩(wěn)定性。此外，AD589的輸出阻抗比普通的低溫度系數(shù)齊納二極管低10倍，因此，即使負(fù)載發(fā)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(tǒng)以MSP430F413、AD7705為核心實現(xiàn)了低功耗高精度便攜式溫度計的設(shè)計。對于便攜式儀器，本設(shè)計實現(xiàn)了低成本寬測溫范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(yīng)用，實踐表明，整個便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計使用方便，工作穩(wěn)定，待機(jī)時間長，具有廣闊的應(yīng)用前景。

數(shù)顯溫度計設(shè)計電路圖（六）

89S51單片機(jī)制作四位數(shù)數(shù)字溫度計電路圖

系統(tǒng)板上硬件連線

（1）、把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0－P1.7與“動態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的ABCDEFGH端口用8芯排線連接。

（2）、把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0－P2.7與“動態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排線連接。

（3）、把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.0與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的ST端子用導(dǎo)線相連接。

（4）、把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.1與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的OE端子用導(dǎo)線相連接。

（5）、把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.2與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的EOC端子用導(dǎo)線相連接。

（6）、把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.3與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的CLK端子用導(dǎo)線相連接。

（7）、把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的A2A1A0端子用導(dǎo)線連接到“電源模塊”區(qū)域中的GND端子上。

（8）、把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的IN0端子用導(dǎo)線連接到自制的AD590電路上。

（9）、把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0－P0.7用8芯排線連接到“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的D0D1D2D3D4D5D6D7端子上。