热流传感器信号采集系统硬件设计

摘要：为了解热流传感器的自身温度与输出的具体数量关系，设计一种基于C8051单片机的热流传感器信号采集系统。该系统增加专用的温度信号采集模块，使系统结构更小，功能更多，且数据采集更精确，从而为后续数据处理奠定基础。
关键词：热流；热流传感器；温度；AD623；MAX291；MAX6675

1 引言
    热流又称热流密度，指单位时间内单位面积所传递的热量(矢量)。其表征就是转移的热量、传递的大小和方向，而热流传感器(热流计或热流量计)就是测量热流大小的元件。热流的测试方法很多，有瞬态法，水卡法等。瞬态法热流传感器的工作原理是通过热电效应，产生与热流值存在一定关系的电压。Gardon型热流传感器就是一种瞬时法测量。
    在研究Gardon型热流传感器时发现，热流传感器的输出与其热沉体的温度有关，当热沉体温度上升到250°C，传感器的输出与热流密度成非线性。研究热沉体的温度与传感器的输出关系，有助于拓宽传感器的测试时间。该系统设计的主要目的是在采集传感器信号的同时。采集热沉体温度信号。

2 系统组成及设计
    该采集系统的信号有两组：一组是热流密度值对应的电压值，即测量信号；一组是由监测温度的热电偶输出电压值，即监测信号。而对于两组信号的采集与处理，采用不同方法：测试信号采用专用的放大器和滤波器；监测信号则采用热电偶的专用处理器件。这样采集系统功能齐全，体积小，使用方便。
    采集系统要与上位机实现通信，且上位机要控制采集卡的工作状态(开始工作，停止工作，读数等)。所以采集系统与上位机的接口采用RS-232串口。系统组成框图如图1所示。

    整个测试系统包含测试信号调理、温度信号处理、控制、存储、通信以及电源等模块。以下主要介绍测试信号调理及温度信号处理模块。
2．1 测量信号调理模块
    Gardon型热流传感器，其输出的热电势与入射热流成正比。由于实际输出的热电势比较小，不一定满足单片机采样要求。因此，必须对信号进行放大和中心电平的调整。热流传感器模拟信号经放大、滤波等处理后，才能进入A／D转换器进行模数转换，其测试信号调理电路如图2所示。

    热流传感器产生的模拟信号经过图2测试信号调理电路后，信号放大、滤波性能良好，畸变率小；而且使用MAX291滤波器，可以增加信号的可靠性和稳定性。避免分立元件的各种误差、漂移影响。图3是调理电路滤波前后效果对比图。

2．2 温度信号处理模块
    监测温度信号为K型热电偶的输出信号。而热电偶信号调理电路包含有冷端补偿，线性化，放大电路。经过调理后的热电偶信号再送往A／D转换器进行模数转换。据资料显示，这3部分电路的设计及调试，难度过高且所占体积也不小，所以都不是设计首选。因此对热电偶信号的调理及采集采用专用器件MAX6675。MAX6675是Maxim公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器，其温度分辨能力为0．25℃，冷端补偿范围为-20℃~十80℃，工作电压为3．0～5．5 V。该器件不仅大大简化电路设计，缩小温度信号处理模块的体积，而且可直接将模拟信号转换成12bit的数字量，而且接口简单，采用SPI串行接口，方便与单片机通信。该器件采用SO-8封装，体积小，可靠性高。图4为单片机控制MAX6675的输出波形及时序。

3 软件控制
    使用C8051单片机作为控制器。控制测量信号的采集及与MAX6675的接口，且通过RS-232串口与上位机实现数据交换，上位机通过串口向采集系统发送命令，控制其工作的状态。同时采集系统还带有1 GB的Flash，实现数据的存储功能。该系统的程序流程如图5所示。

4 实验结果
    系统上电工作后，通过上位机对系统进行相关操作，系统启动MAX6675的控制，并存储相关数据。图6为某次测试实验的相关数据。

    该组数据通过相关的画图软件，将得到在实验过程中热沉体温度的曲线，如图7所示，其测试时间为1 200 s。

5 结论
    该热流传感器采集系统较好完成所提出的设计任务。由于采用集成化思想，减小系统体积。在热流传感器温度的监测方面，系统精度高，再现传感器工作过程中的温度变化，并通过监测温度修正传感器输出，从而拓展传感器的测试时间。