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基于ispPAC和单片机的热电偶实验仪(MAX7219)

文章出处:xef 发布时间: 2007/04/10 | 7248 次阅读

摘要:介绍了一种基于EDA技术的热电偶实验装置。本系统以ispPAC和单片机为核心电路,辅以高精度A/D转换器件及LED显示器,实现对温差电动势的测量及数字显示。该系统具有稳定性好、集成度高、灵活性强、实验成本低等特点。
关键词:热电偶, ispPAC,单片机,A/D转换器

1.  引言

    在大学物理热电偶实验中,传统的温差电动势的测量多采用补偿法,温度的测量使用水银温度计。整个实验过程复杂、原理不直观,仪器误差较大。因其对电源要求高而常使用干电池或者稳压电源,从而导致实验成本高。为了解决传统实验方法中存在的问题,笔者研制了一种基于ispPAC[1]和单片机的热电偶实验仪,该实验仪放大电路采用在线系统可编程模拟器件ispPAC(In-System Programmability Programmable Analog Circuit),使用其开发软件PAC-Designer在计算机中可进行重复的设计、修改与配置功能模块;采用数字传感器精确的测量温度;利用高精度A/D转换器件对结果进行数字化;利用单片机对整个系统协调控制,并实现数据的转换与显示。整个系统性能稳定、测量准确、价格低廉。

2 实验系统的设计

2.1系统组成

    系统由如图1所示的温差电动势测量模块、CPU控制模块、温度测量模块和LED显示模块共四个模块组成[2-5]。温差电动势经过ispPAC可编程放大后被转换成直流电压,输入到A/D转换器进行数模转换,再通过单片机控制电路送入LED显示,最终实现人机接口。

2.2 温差电动势测量电路设计

    本系统采用的在系统可编程模拟器件为美国Lattice公司生产的芯片。它由4个可编程模拟信号处理电路模块(PAC Block),模拟信号布线区和在系统可编程接口电路等部分组成,器件用5V单电源供电。每个PAC模块由两个差分输入(Differential Inputs)仪表放大器(IA1和IA2),1个反馈放大器IAF和1个差分输出(Differential Outputs)求和放大器(OA1)所组成。其中仪表放大器的跨导增益可调(gm的变化范围为2uA/V~20uA/V),电路输出阻抗为109欧姆,共模抑制比为69db。 反馈放大器IAF增益固定,等于2uA/V。输出放大器的反馈电容Cf有多种电容值(1pF-62pF)可供选择。温差电动势由IA1的Vin+和Vin-端输入。PAC模块结构如图2所示。   

图1系统框图

图2  PAC模块结构图

图中,信号从IA1输入,输入信号:

Vin=Vin+ -Vin-                         (1)

输出信号:

Vout=Vout+ -Vout-                       (2)

而:Ia=gm1×Vin                             (3)


 

Ib= (Vout+ -Va) ×SCf                   (4)

Ic=gm3 ×Vout                           (5)

    因为处理的温差电动势为直流信号Ib,实际等于零。由基尔霍夫电流定律及反馈放大器IAF输入阻抗大的特点可得Ia =Ic,从而得PAC模块的传递函数为:

 Vout=(gm1/gm3) ×Vin                        (6)  

    将ispPAC10内的4个PAC模块采用级连的方式构成电路,可以得到增益为1~10000中任意数值的放大电路。此实验仪所用的热电偶由康铜和铁两种金属组成,温差100℃时输出温差电动势约为2.38mv。为满足A/D转换器输入满度电压取值应小于5V的接口要求,将放大倍数设置为1000。

    利用模拟可编程芯片开发系统PAC-Designer完成ispPAC10的编程和设计。将4个差分输入(Differential Inputs)仪表放大器(IA1、 IA3、 IA5、 IA7)串联连接,温差电动势从IN1输入,从OUT4输出,电路连线如图4。各仪表放大器的放大倍数依次设定为:10,10,10和1,即电压信号被放大1000倍。考虑到信号接入过程的误差,在设定完参数后应和标准值进行比较,并适当调整放大倍数作为补偿。

图3  ispPAC10内部电路连接示意图

2.3 温度测量电路及接口

    本系统采用的温度传感器是DALLAS公司生产的一线式3引脚数字温度传感器DS18B20,温度测量范围为-10℃~+125℃,测温分辨率可达0.0625℃。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源在本系统中由系统电源直接提供。单片机以一根端口线即P2.4与之通信。

2.4 单片机和A/D转换器及显示驱动的接口

    单片机和A/D转换器及显示驱动的接口电路如图4所示。单片机采用ATMEL公司的增强型芯片AT89C51;A/D转换器采用具有高分辨率、低漂移、价格低廉的∑﹣△结构集成电路 AD7705;显示驱动选用Maxim公司的高集成化串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器MAX7219 ,每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管

    被ispPAC10放大了的电动势从图3的OUT4输出,从AD7705的差分输入通道2的AINI+和AINI-输入。AD7705的基准电压由5V电源电压和两个电阻R1、R2产生,产生的基准电压为2.38V,即器件的可编程增益设定为1的满标度输入幅度是2.38V。AT89C51的P2.7脚和AD7705的端口DRDY相连用以软件查询DRDY线的状态,当这个输出端上出现低电平表示可从AD7705的数据寄存器读取数据。AT89C51配置成串行接口方式0模式,AD7705的串行时钟输入端SCLK所需的时钟信号由TXD引脚上输出的同步移位脉冲产生,在SCLK信号的作用下,从AD7705片内输出移位寄存器读出的串行数据由DOUT输出到AT89C51。在数据被保存在内存中后,单片机紧接着对DS18B20操作以读取温度,然后将表示电压和温度的数据在单片机内转换成BCD码,最后由P1.4脚串行输入到MAX7219。MAX7219的操作代码“09H”选中操作数为“0FFH”,即使用BCD译码方式,由MAX7219驱动六位7段码显示器分别显示温度和电动势值。

图4 接口电路图

2.5实验测试结果

    采用传统平衡补偿法,通过高精密度电阻和检流计在室温27℃条件下测得一组数据(其计算结果保留2位有效数字)如下:

温度差(℃)

23

27

31

37

47

52

57

63

67

74

温差电动势(mv)

0.62

0.64

0.72

0.92

1.14

1.23

1.34

1.52

1.62

1.80

    在上述同等条件下,使用同一热电偶装置,由LED显示的温度值和温差电动势值如下表:

温度差(℃)

23

27

31

37

47

52

57

63

67

74

温差电动势(mv)

0.63

0.65

0.74

0.93

1.16

1.22

1.35

1.53

1.64

1.82

    对以上两组数据,通过最小二乘法拟合,可以得出传统方式下的温差电系数C=0.0237mv/℃,而本装置测量数据的温差电系数C=0.0238mv/℃。由此得出,作为一个热电偶测量设备,后者其精度、准确度已经能满足学生实验的要求。

结束语

    和传统实验方法相比,本实验仪具有明显的优点:

1)实验过程实现测量、读数的数字化,实验原理及物理概念清晰。

2)ISP电路可以重复编程利用,系统功能则可以利用单片机软件进行进一步优化,整体实验成本低廉。

3)由于单片机工作频率为11.0592MHZ,考虑A/D转换时间,温度和温差电动势的读数相隔时间以毫秒记,相比在补偿法中的由人工读水银温度计和电动势的精度要高得多。

    本系统已成功应用于大学物理实验课教学中,获得了良好的实验教学效果,其原理也可以运用到需要较精确测量和控制较高温度的场合。

    本文作者的创新点:解决了传统热电偶实验中存在的过程复杂、原理不直观、仪器误差较大、实验成本高等问题,实验证明以ispPAC和单片机为核心的热电偶实验仪,实现了对温差电动势的测量及数字显示,具有稳定性好、集成度高、灵活性强、实验成本低等特点。其原理可以应用到大学物理其它相关的实验项目中,具有良好的应用前景。



  

参考文献:

[1]. ispPAC10 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ispPAC10_1134348.html.
[2]. DS18B20 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20_819975.html.
[3]. AT89C51 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/AT89C51_810155.html.
[4]. AD7705 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/AD7705_249855.html.
[5]. Maxim datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/Maxim_1062568.html.
[6]. MAX7219  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAX7219+_1019200.html.
[7]. BCD datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/BCD_1225719.html.


来源:xiangxueqin

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