基于ispPAC和单片机的热电偶实验仪
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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。
3 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] 李辉. ISP系统设计技术入门与应用[M].电子工业出版社. 2002.2. P 23—P25.
[2] 张毅刚, 彭喜源. MCS—51单片机应用设计[M]. 哈尔滨工业大学出版社. 1997.7. P 210—P212.
[3] 李秀梅,李学华. 以CPLD为控制核心的16位高精度数字电压表设计[J] 半导体技术. 2003.5. VOL28(5) P54～P56.
[4] 杨振江,孙占彪. 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M]. 西安电子工业出版社. 2002.12. P127～P150.
[5] 张景春, 候国强, 唐瑞尹, 孙艳彬. 单片机测控技术在平板导热系数仪研制中的应用[J]. 微计算机信息.2005(5).
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