基于AD7794的多路温度记录器设计

李田科，于仕财，于乐

（1.中国人民解放军91980部队，山东 烟台 264001；2.海军航空工程学院电子信息工程系，山东 烟台 264001）

0 引言

热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件，具有测温范围广、坚固耐用、响应快、无自发热等优点。热电偶由一端相连的两根不同金属线组成，相连端被称为测量（“热”）接合点，金属线不相连的另一端接到信号调理电路。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点被叫做参考（“冷”）接合点。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性[1-2]，表1列出了4种最常用的热电偶类型、所用金属、对应的温度测量范围以及塞贝克系数。

K型是最受欢迎的热电偶，在可接受的精度范围内具有最高的经济性，测量温度范围广，在0～1 000°C范围内线性度好等优点，因此本记录器采用K型热电偶作为温度变送器。

表1 常用的热电偶类型

1 信号调理电路的设计

记录器作为一种仪器，将温度转换为数字信号的过程最为关键，也是本记录器实现的难点。热电偶的输出信号非常微弱，处理不当就会引入误差，导致精度降低。除了由于金属特性导致的热电偶内部固有的不精确性外，热电偶的测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度，这对参考接合点的温度测量提出了更高的要求，电压温度曲线的非线性也会导致测量误差的增加。

在参考接合点处产生的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度，由于热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件，热电偶的分度值都是基于0°C参考温度来描述的，而在实际使用中不可能具备一个恒定的0°C环境供记录器使用，必须知道参考接合点的温度以获得精确的绝对温度读数，这一过程被称为参考接合点温度补偿（冷接合点补偿）[3-4]。

因为热电偶的电压信号微弱，信号调理电路一般需要约100左右的增益，这是相对简单的信号调理，关键问题是如何识别实际信号和热电偶引线上的拾取噪声。由于热电偶的引线较长，经常穿过电气噪声密集的环境，引线上的噪声可轻松地淹没微小的热电偶信号，一般通过差分放大接合低通滤波电路来解决干扰问题；另外系统的接地方式也会对干扰信号产生重大的影响，必须小心处理。常用热电偶响应曲线的斜率随温度而变化，如图1所示。

K型热电偶在0～1 000°C范围内的响应曲线都比较平稳，采用查表方式并结合线性差值方式即可满足一般的精度要求。

2 温度记录器的方案设计

2.1 硬件系统方案

AD7794为AD公司的高精度AD转换芯片，适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声24位型ADC，其中含有6个差分输入，内置片内仪表放大器和基准电压源，支持高达128倍的增益，因而可直接输入小信号，并简化信号调理电路的设计。该芯片内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，也可采用最多两个外部差分基准电压。其它片内特性包括可编程激励电流源、熔断电流控制和偏置电压产生器，利用偏置电压产生器可将某一通道的共模电压设置为AVDD/2[5]。AD7794可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可在4.17～470 Hz的范围内变化。其功能框图如图2所示。

图2 AD7794功能框图

AD7794的均方根噪声极低，具有较高的增益，单片即可完成信号前端的调理，其与热电偶结合的信号误差经过理论计算，测量精度可以达到0.3°。

DS1626是MAXIM公司的高精度、3线数字温度计/温度监视器，在0～+70°范围内，提供±5°的精度，加上信号调理误差及差值误差，温度记录器可以满足±1°C的精度要求，用来检测热电偶的冷端温度可以满足应用需求。

采用AD7794及DS1626的温度记录器的硬件系统原理框图如图3所示。

图3 记录器硬件原理框图

a)系统初始化

系统上电后，先进行各器件的硬件配置，然后判断各器件是否正常初始化，电池电压是否正常。器件初始化后需要对AD进行校准，减少系统的测量误差。根据器件初始化的结果和电池状态显示相应的指示灯，完成系统初始化过程，记录器进入空闲状态。

b)记录状态

系统在空闲状态时，可以通过按键使记录器进入记录状态。在记录状态时，DS1626每秒读出一次冷端温度，根据冷端温度查表得到冷端温度对应的电压值，再与AD7794读到的热电偶的直接电压值相加，再查表就可以得到热电偶热端的真实温度，并保存到Flash存储器中。

c)数据读出

当记录器连接PC时，可以读出之前保存的记录；此时还可以根据电池的电压来判断是否进行充电。

d)按键处理与显示

根据按键状态改变记录器的工作模式，并对工作状态进行指示。

主控CPU选择低功耗的ARM7处理器，因为记录器处理的信息量比较小，而且需要使用电池进行长时间供电，因此CPU的处理性能不需要特别关注，而CPU的功耗才是影响选型的重点。

存储器选用2 M字节的串行接口Flash，串行接口Flash的接口简单，读写速度也能满足要求，同时维持较低的读写功耗。2 M字节的容量在6通道内同时记录，每秒记录10次的数据时，可以连续记录1.8 h，足以应付大多数的记录要求。

记录器包含若干按键和指示灯，用于控制记录器的工作和显示记录器的工作状态。电源管理负责将电池电压转换为各芯片需要的工作电压，同时在电池电压低时自动对电池进行充电。USB接口与PC连接时，可以通过上位机软件将记录器中保存的数据读出分析。

2.2 软件处理过程

记录器的软件总体流程图如图4所示，主要包括以下几个步骤。

图4 软件总体流程图

2.3 设计注意事项

DS1626的目的是检测热电偶的冷端温度，因此在布局时应当尽量地靠近热电偶的冷端连接处，使其测量的温度能够较真实地反映热电偶的冷端温度。

AD7794实现了整个测温的信号调理，需要对微伏的电压信号进行放大和滤波采样，极易受到干扰而导致数据读出的误差增加，强干扰还会直接导致数据不可用，出现错误的记录结果。因此在整体布局时这部分电路需要避开数字信号，模拟信号输入端应当添加相应的抗干扰滤波电路，同时在接地和电源供给时也应独立处理，避免其它模块的电源噪声干扰信号调理电路。

3 记录结果分析

测试热电偶的型号为美国OMEGA公司的微型热电偶，测试用温度计为分辨率0.1℃的水银温度计，对0～100℃的水选取5个温度进行测试记录，结果如表2所示，由结果可知系统的误差满足±1℃的精度要求。

表2 测量值比较

4 结束语

虽然热电阻在0～450°C有更高的测温精度，例如PT100，无须冷端补偿，在不使用软件校正措施的情况下，精度就可达到0.75°C（300°C时)，但每一路的热电阻都必须配备恒流源的前提，却限制了其在多路测温场合中的应用。而热电偶依靠测量端与冷端温差所引起的电动势来反映测量端相对于冷端的温度，在多通道 (有的超过12通道)的应用中，只要能够提高冷端补偿精度，其便捷的设计和使用方法就会显示出不可替代的优越性。在实际的使用过程中，本记录器可以实现长时间多通道温度记录功能，具有精度高，记录时间长，使用灵活等特点，可广泛地用于工业、环境等监测领域，具有较高的实用性。

[1]高智慧，刘学平，占涛.基于K型热电偶的多路温控系统的研究 [J].机械设计与制造，2011，4(4)：7-9.

[2]刘武光.iButton温度记录器及其在冷链物流中的应用[J].电子设计工程，2009，20(2)：107-108.

[3]蔡忠春，李晓明，姜晓莲.航空发动机热电偶冷端温度检测电路设计 [J].计量与测试技术，2011，38(7)：43-44.

[4]张海涛，罗珊，郭涛.热电偶冷端补偿改进研究 [J].仪表技术与传感器，2011，25(7)：11-13.

[5]小彪，姚振东.AD7794在高精度低功耗测量装置中的应用 [J].微计算机信息，2009，25(3)：307-308.