无线通讯自动档测温系统的设计*

卢 珍

（广州城市理工学院 广州 510800）

1 引言

温度作为表征物体冷热程度的物理量，是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关。因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。

AD595是AD公司（Analog Devices）生产的一款热电偶放大器，适用于K型热电偶，它结合了一个预先校准零度的放大器直接从热电偶信号产生一个10mV/°C的高电平输出。AD595种类很多，按照测温精度可分为AD595aq、AD595ADZ等，其中AD595ADZ测温精度可达到千分之一。AD595测温范围广，可测量-200℃~1250℃的温度。基于AD595设计的测温系统，能够实现高精度宽范围的测温。AD595作为集完整的仪表放大器和热电偶冷端补偿器于一体的芯片，具有测温精度高、测温范围广、反应灵敏等优点。目前在基于AD595测温系统的设计上，主要采用与生产、科研设备结合采用有线通讯的方式，不仅导致设备布局布线时的复杂性，而且随着设备的老化也会出现测温精度和灵敏度下降的现象。

测温系统通常作为必不可少的设备健康工作监视模块应用在工业生产和科学实验设备当中［1~7］，由于这些设备集成度较高、工作环境复杂、设备老化程度较快，因此设计体积小、可实现无线传输、独立的测温系统成为必然趋势。

2 无线测温系统

无线测温系统［8~9］作为独立的子机构，具有独立的电源模块、信号处理控制模块、信号传输模块。电源模块是无线测温系统的基本模块，为系统中各芯片提供合适的电压。基于小型化原则，电源模块包括三个器件，分别是LT1763-5V、LT3060-3.3V、金胜阳DC-DC。这三个电源模块是在满足整体器件功耗条件下体积最小的电源模块，其中LT1763-5V为LT3060-3.3V、金胜阳DC-DC提供输入电源，为单片机提供稳压电源。LT3060-3.3V为单片机提供电源。金胜阳DC-DC为AD595、op07提供±15V的电源。信号传输模块可现实对信号的远距离高稳定性无线传输。信号处理控制模块可以实现对电压信号实现加减法和除法进行档位变换，由AD595、OP07、4选1多档开关、C8051F340单片机组成的信号控制处理回路。其中AD595用于采集信号温度信息并将其转换为电压信号、4选1多档开关在单片机的控制下改变OP07连接电路。

为了设计高精度、小型化、无线通讯、独立可更换的测温系统，本文设计了基于AD595且利用蓝牙进行远距离传输（无障碍传输可达30M）的无线测温系统［10~12］。在提高测温系统精度上提出利用自动挡通过改变测温范围来实现精度的提高，业界虽然有人提出了利用变阻器进行升压和分压来提高测量精度的思想［13~14］，但变阻器的调剂比较麻烦不利于工程实践应用。在将电压信号转换为温度值的算法上面，本文根据AD公司提供的AD595温度-电压分度表，观察其走势提出分三段拟合的方法，有些文章虽提出了对温度-电压分度表采用两段切比雪夫拟合的方法［15］，但其公式并不能很好地反映温度-电压走势，局部误差较大，造成部分范围测温的不准确。

3 影响AD转换精度的因素

利用热电偶和AD595测温，可以实现高精度和宽范围的测量。AD595的测量范围是根据芯片两端输入的电压来确定的，当两端只加入正电压时，测量的温度范围为正。当芯片的负输入端加入负电压时，可以测量零度以下的电压。并且根据输入的电压大小，温度的测量极限值也不同。

AD595在加入±15V条件下，测量的温度范围是-200°~1250°（AD595的极限测量范围），对应的热电偶电压为-5.891mV~50.633mV，而对应的AD595信号输出电压为-1.454V~12.524V，对于现有的集成AD转换功能于一身的芯片，比如说本文应用到的C8051F340单片机来说其存在两方面的问题。

问题一：AD595输出电压过高，一般的芯片在进行AD转换时基准电压最大为+5V，而AD595输出的电压最大值≥15V，所以为了实现对宽范围温度的测量（测量温度最大值大于等于50℃，而50℃时对应的AD595输出信号电压为5V）不免要用到放大器的分压电路，但分压后信号因为伏值变小，就会降低信号的精确度，测量范围越大，精确度越低。

问题二：AD595的测量范围是-200℃~1250℃，对应的输出电压为-1.454V~12.524V。在需要测量零度以下温度的情况下，容易发现其输出电压存在严重的不对称性，正向最大输出信号电压（12.524V）是负向最大输出电压（-1.454V）的8.61倍，而芯片的AD转换输入部分，可测量的的信号电压范围是-VREF~+VREF，也就是说对于AD595测温电路从-VREF~-1.454V区段AD转换信号是空置的，严重浪费了AD转换测量信号的资源。并且在AD转换过程当中，如果只提供正向电压的转化，那么转换出的数字信号的最高位表示的是信号，但如果需要进行正负信号的转换，那么转换出的数字信号的最高位表示的是符号位，因此AD转换的精度将减半。以C8051F340为例，当AD转换（8位转换）被设置为只进行正电压信号的转换时，其输入电压的计算方式为0—VREF×1023/1024，但当AD转换部分被设置为进行正负电压信号转换时，其输入电压的的计算方式为-VREF×511/512—VREF×511/512。

本文的设计，立足于最简单系统，在同条件下可测得最高精度。在简化电路，利用芯片内部AD转换，不外设AD芯片情况下，上述两个问题严重影响着系统的测量精度。

4 升压电路的设计

基于以上提出的两个问题，本文设计了图1所示的电路系统。

在图1的电路中，对AD595输出的信号做了如下的处理，首先从芯片电源引出一个正向稳定电压作为升压源，利用放大器与AD595信号组成升压电路，把负信号全部转换为正向信号。然后利用其后面的分压电路，将信号降至芯片AD转换信号接收的电压范围之内。AD单升压电路可以成功地将正负电压范围内的信号，全部转换为正电压范围内的信号，从而使转换出的数字信号的精度提高一倍。

在以上的电路基础上，我们可以进一步改进电路，从而进一步提高系统的测量精度。如图2所示。

在图2中，通过给变阻器R21提供一个输入电压，组成与测量信号的加减法测量电路，通过加减法电路调节，将需要测量范围内的信号电压调节至从零伏电压到最大电压信号的形式，比如说想测量600℃~1200℃范围内的温度，那么调节电压可设置为-6.161V（600对应的输出电压为+6.161V），将600℃对应的电压信号调节至0V，然后通过电路后面的分压电路R12、R25将信号调节至可转换的模数电压范围之内。从而充分利用电路中AD转换部分的电压范围，进一步提高了温度的测量精度。图2所示的AD595多调节升压电路中，实现了可调节测量范围的高精度测温电路。

图2 AD595多调节升压电路

5 实验结果对比

为了验证升压系统对温度测量系统精度的提高，本文特别制作和测量了对温度信号直接采集系统（如图3所示）和单调节升压测温系统，并对它们采集到的信号进行了相同的滤波处理。图4和图5分别为两个系统在-20℃、100℃、500℃和900℃时采集的信号波形图。

图3 温度信号直接采集系统

图4 温度信号直接采集系统采集的信号

图5 单调节升压测温系统采集的信号

为去除放大器引入的干扰，采集的数据都经过中指滤波和均值滤波的处理。数据处理后，然后根据K型热电偶的分度表，采用二阶拟合的方法进行分段拟合，得到K型热电偶输出电压对应温度的近似表达式如下。

在-20℃~400℃时：

在400℃~1200℃时：

式（1）、（2）中Vout表示AD595输出电压，T表示测量的温度。

而对Vout的计算，因为在温度信号直接采集系统和单调节升压测温系统放大器对电压调节不同，所以现在分别对其输入输出电压进行一阶拟合，得到如下公式。

在温度信号直接采集系统中：

在单调节升压测温系统中：

其中Vin是C8051单片机接收的输入电压。

通过对图4和图5对比分析，可以看出单调节升压测温系统在很大程度上提高了所测温度的精度值。在-20℃时，直接测温系统的温度偏差为1.5℃，而在均值滤波后单调节升压测温系统的偏差在0.7℃左右。而在100℃和500℃，直接测温系统的温度偏差分别在0.2℃和0.4℃左右，而单调节升压测温系统则基本无偏差。900℃时直接测温系统的温度偏差有1℃，单调节升压测温系统温度偏差只有0.4℃。

再对两个系统的测温图进行纵向比较，我们可以发现在系统所能测到的极值-20℃和900℃，系统测得的温度偏差比较大，系统稳定性较低。根据实验分析，在低温时，由于信号电压太小，所以放大器引入的杂波对测温系统的影响比较大，而在高温阶段，由于放大器工作频率变大，所以噪声也随之变大。

6 结语

可调节升压测温系统的引入，使得设计的电路资源利用更加充分，电路测得的温度更加精确，测温电路的缩小化和精确化方面也得到了进一步的提高。但如实验结果所示，怎么使测温系统在极值所测得的温度精确度进一步提高，还有待研究。