單總線高溫數字溫度傳感器的製作方法

2023-07-06 00:37:26 1

本實用新型涉及溫度傳感器領域、具體涉及一種採用單總線的高溫數字溫度傳感器。

背景技術：

溫度傳感器(temperature transducer)是指能感受溫度並轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

K型熱電偶(鎳鉻－鎳矽)作為溫度傳感器得到了廣泛的應用，利用它的熱電效應，根據冷熱端溫度差產生的熱電動勢進行測溫。它直接和被測對象接觸，不受中間介質的影響，具有測量溫度範圍廣、精確度高、構造簡單、使用方便等優點。K型熱電偶具有熱電勢大、靈敏度高、響應速度快、線性度好、測溫範圍較寬、造價低、化學穩定性好等優點，可在1000℃下長期使用，因而是工業生產製造部門應用最廣泛的熱電偶元件。但直接利用熱電偶作為傳感器監測溫度，需要設計信號放大、整形、溫度補償等電路，開發周期較長，給工程設計人員帶來困難。而現有數字溫度傳感器，測量溫度範圍窄、測量溫度低，不適合在熱電工業使用。

技術實現要素：

為了解決現有技術存在的問題，本實用新型提供一種單總線高溫數字溫度傳感器。

為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是：一種單總線高溫數字溫度傳感器，包括單片機、K型熱電偶、信號調理電路和冷端補償電路；所述單片機內置有A/D轉換器；所述信號調理電路分別與K型熱電偶和A/D轉換器電連接；所述冷端補償電路與單片機電連接；所述單片機的一根I/O線按時序要求與外部進行單總線串行通訊，接受外部命令並向外部輸出溫度信息。

採用本實用新型的技術方案後，信號調理電路主要是對熱電偶檢測的溫度信號進行放大、整形，使熱電偶檢測的微弱信號，經放大後達到一定電壓值，適宜將模擬信號轉換為數位訊號便於處理。冷端補償是採用普通溫度傳感器檢測現場環境溫度，輸入到單片機的另一根I/O端，單片機根據熱電偶迴路的中間溫度定律，實現冷端溫度補償。

本方案製成的單總線高溫數字溫度傳感器主要針對高溫、大範圍溫度區域設計，將熱電偶傳感器、信號調理電路、冷端補償電路、運算控制電路集成一體化，單總線輸入、輸出，構成單總線數字溫度傳感器，測溫範圍0℃～1024℃。

附圖說明

圖1是單總線高溫數字溫度傳感器的原理框圖。

圖2是單總線高溫數字溫度傳感器的電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型優選的方案做進一步的闡述：

如圖1和圖2所示，一種單總線高溫數字溫度傳感器，包括單片機、K型熱電偶、信號調理電路和冷端補償電路；所述單片機內置有A/D轉換器；所述信號調理電路分別與K型熱電偶和A/D轉換器電連接；所述冷端補償電路與單片機電連接；所述單片機的一根I/O線按時序要求與外部進行單總線串行通訊，接受外部命令並向外部輸出溫度信息。

進一步的改進，所述單片機採用STC8高速單片機。

進一步的改進，所述信號調理電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C1、運算放大器U2A和運算放大器U3A；所述電阻R1的一端與K型熱電偶的IN1腳相連，另一端與運算放大器U2A的負輸入端相連；所述電阻R2的一端與K型熱電偶的IN2腳相連，另一端與運輸放大器U2A的正輸入端相連；所述電阻R3一端接地，另一端與運算放大器U2A的正輸入端相連；所述電阻R4一端與運算放大器U2A的負輸入端相連，另一端與運算放大器U2A的輸出端相連；所述電阻R5的一端與運算放大器的輸出端相連，另一端與運算放大器U3A的正輸入端相連；所述電容C1一端接地，另一端與運算放大器U3A的正輸入端相連；所述運算放大器U3A的負輸入端與運算放大器U3A輸出端通過導線相連；所述運算放大器U3A輸出端與單片機的一根I/0線相連。

進一步的改進，所述冷端補償電路包括電阻R7和DS18B20溫度傳感器；DS18B20溫度傳感器的第三腳接地；所述電阻R7設置在DS18B20溫度傳感器的第一腳(VCC電源端)和第二腳之間；所述DS18B20溫度傳感器的第二腳與單片機的一根I/O線相連。

運算控制採用含有A/D轉換的STC8系列單片機，信號調理電路的輸出的電壓信號經A/D轉換為數位訊號，存儲在單片機中。在單片機內部將K型熱電偶檢測的待測溫度與冷端檢測的環境溫度，經過計算和查表得到測量溫度值，保存在單片機的緩存中。另外，單片機的一根I/O線按時序要求與外部進行單總線串行通訊，接受外部命令並向外部輸出溫度信息。

冷端補償電路是採用普通DS18B20型號的溫度傳感器來檢測現場環境溫度，輸入到單片機的另一根I/O端，單片機根據K型熱電偶迴路的中間溫度定律，實現冷端溫度補償：由兩種不同材料的導體組成熱電偶迴路，當被測溫度(又稱K型熱電偶的工作端溫度或熱端溫度)為t，冷端溫度為t0時，K型熱電偶輸出的熱電勢為EAB(t,t0)＝EAB(t,0)-EAB(t0,0)。其中AB表示組成熱電偶的兩種不同性質的導體，EAB(t,0)表示K型熱電偶熱端溫度為t，冷端為0℃時的熱電勢，EAB(t0,0)表示冷端補償熱電勢。由中間溫度定律知，如果冷端溫度恆定，則只要測出K型熱電偶輸出的熱電勢EAB(t,t0)，通過查被測熱電偶分度表得到EAB(t0,0)，即可算出熱電偶冷端溫度為0℃時的熱電勢，再查該熱電偶分度表得到實際熱電偶熱端溫度。如果冷端溫度波動，則通過補償導線，根據中間導體定律，將冷端引到溫度恆定的位置，然後採用上述方法得到K型熱電偶被測端溫度。

單總線高溫數字溫度傳感器的核心電路採用STC8高速單片機，內部嵌入12位A/D轉換器，使得本溫度傳感器精度高達0.25℃。K型熱電偶檢測的溫度信號通過信號調理電路放大後送入單片機的P0.0口；冷端補償使用DS18B20檢測現場溫度，單片機的P3.1口讀入現場溫度，經內部運算處理進行溫度補償；檢測的溫度經補償存儲在暫存器中，由外電路通過P3.0口進行單總線讀取測量的溫度值。