多路k型熱電偶信號(hào)采集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]熱電偶在石油、化工、鋼鐵、有色金屬、航天等領(lǐng)域的測(cè)量和控制具有廣泛的應(yīng)用潛力，是現(xiàn)代大型工業(yè)設(shè)備的重要組成部分。本發(fā)明涉及一種多路K型熱電偶信號(hào)采集方法，用于采集多路K型熱電偶輸出的微弱電壓信號(hào)。該方法由STM32F407微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)RS485方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電偶是兩種不同成分的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)結(jié)合點(diǎn)兩端溫度不同，在回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，也叫賽貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端(也稱為測(cè)量端)，溫度較低的一端為自由端(也稱為補(bǔ)償端)，自由端常處于某個(gè)恒定溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在o°c時(shí)得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。典型熱電偶信號(hào)采集方式是:將熱電偶信號(hào)通過(guò)多級(jí)放大電路后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這類(lèi)方式具有抗干擾能力差，線性度差，需要軟件修正的缺點(diǎn)。而對(duì)于K型熱電偶，其輸出電壓幅度變化范圍非常小，在25°C環(huán)境溫度下，K型熱電偶電壓變化和溫度升高關(guān)系為41uV/°C。對(duì)于常規(guī)ADC來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)換范圍通常在O?ref (ref = 1.2?5V)內(nèi)。在此情況下，需要采用硬件電路調(diào)整熱電偶輸出電壓幅度，使熱電偶輸出溫度變化曲線在AD識(shí)別范圍內(nèi)。在多級(jí)調(diào)幅電路作用下，電壓放大倍數(shù)精確度難以保證，并且多級(jí)放大電路本身線性度也會(huì)帶來(lái)額外誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了對(duì)K型熱電偶輸出電壓值進(jìn)行可靠測(cè)量，本發(fā)明提供了一種多路K型熱電偶信號(hào)采集方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0004]一種多路K型熱電偶信號(hào)采集方法，包含八個(gè)部分:熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、電壓參考電路、32路模擬復(fù)用電路、低通差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路，電源電路和RS485通信電路；微處理器電路以STM32F407系列ARM微處理器為主，完成32路模擬信號(hào)選通復(fù)用、AD數(shù)據(jù)采集、軟件濾波算法處理、RS485通信等功能。
[0005]熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換電路直接將熱電偶輸出UV級(jí)微弱電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行冷端補(bǔ)償，使轉(zhuǎn)換后的輸出電壓滿足5mV/°C要求。轉(zhuǎn)換電路輸出電壓直接通過(guò)32路模擬復(fù)用器，模擬復(fù)用器以軌到軌的方式輸入與輸出，保證小信號(hào)不失真。首先STM32F407微處理器控制復(fù)用器選擇32路中的其中一路進(jìn)行低通濾波，差分信號(hào)轉(zhuǎn)換和AD采樣。其次STM32F407微處理器將采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理，濾除掉電路本身和外界干擾，提高溫度數(shù)據(jù)信噪比。最后STM32F407微處理器將濾波后的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，通過(guò)RS485總線方式上傳給上位機(jī)。上位機(jī)軟件進(jìn)行幀解析后，按照不同的采集通道將溫度信息進(jìn)行曲線繪制。
【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；
[0007]圖2為本發(fā)明熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖；
[0008]圖3為本發(fā)明模擬選通器原理示意圖；
[0009]圖4為本發(fā)明低通濾波器電路原理圖；
[0010]圖5為本發(fā)明模擬信號(hào)單端轉(zhuǎn)差分電路圖；
[0011]圖6為本發(fā)明AD采集電路原理示意圖；
[0012]圖7為本發(fā)明微處理器運(yùn)行流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]附圖中，相同部分在不同的視圖中采用相同的標(biāo)號(hào)表示，并且所描述的各種元件不必按照比例繪制，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]圖1描述一種多路K型熱電偶信號(hào)采集方法，包含熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、電壓參考電路、32路復(fù)用電路、低通差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路，電源電路和RS485通信電路；微處理器電路以STM32F407系列ARM微處理器為主，完成數(shù)據(jù)選通，AD數(shù)據(jù)采集，軟件濾波算法處理，RS485通信等功能。電源電路輸入電壓范圍在7?15V。通過(guò)LT1083-5線性電源降壓到5.0V，分別提供給熱電偶轉(zhuǎn)換電路，模擬復(fù)用電路，低通濾波電路，電壓參考電路，差分電路以及下一級(jí)電源電路。通過(guò)LT1084-3.3線性電源將5.0V電壓降壓到3.3V，分別提供給ADC轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路和RS485總線電路。32路熱電偶信號(hào)首先被AD8495進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過(guò)模擬復(fù)用電路，選擇其中一路進(jìn)行AD采樣，微處理器進(jìn)行濾波后上傳上位機(jī)并顯示。
[0015]圖2是AD8495轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)，該電路主要由兩個(gè)部分構(gòu)成，第一部分是熱電偶輸出信號(hào)線性變換電路，將熱電偶輸出電壓信號(hào)直接通過(guò)冷端補(bǔ)償輸出，輸出電壓滿足5mV/°C。第二部分由REF3112和0PA350組成的參考電壓電路，通過(guò)參考電壓，校準(zhǔn)AD8495轉(zhuǎn)換O°C時(shí)輸出電壓值。在AD8495信號(hào)輸入端，由電阻R3和R4，電容C2，C3和C4構(gòu)成低通濾波器，他們的阻值分別為100 Ω，100 Ω，0.0luF, 0.0luF和IuF,。電阻R2作用是在熱電偶沒(méi)有接入時(shí)，AD8495輸出電壓為電源電壓。目的是檢測(cè)線纜是否連接完好。為了不影響采集電路精度，電阻R2阻值為IMΩ。根據(jù)AD8495官方提供的參考手冊(cè)，AD8495最終輸出電壓V滿足關(guān)系式:V= (TsuX 5mV/°C )+Vkef。為提高采集電路的適應(yīng)性，設(shè)置參考電壓Veef = 1250mV。通過(guò)參考電壓，當(dāng)AD8495采集到熱電偶溫度為0°C時(shí)，AD8495輸出端電壓為1250mV。通過(guò)所設(shè)置的參考電壓，AD8495能夠分辨零下溫度。在該方法中，包含32路AD8495轉(zhuǎn)換電路，為了提高參考電壓的輸入阻抗和降低電源噪聲，在每一路AD8495參考電壓輸入引腳設(shè)置由0PA350構(gòu)成的電壓跟隨電路。0PA350輸入端設(shè)置有RC低通濾波器，以濾除電源中的高頻干擾。通過(guò)跟隨電路可保證參考電壓精度，降低上位機(jī)計(jì)算誤差。
[0016]圖3是32路模擬復(fù)用器原理圖。通過(guò)4位二進(jìn)制控制位，分別從通道CHl至CH32選通到OUT引腳。模擬選通器的特點(diǎn)是輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的幅度和相位相同。模擬選通器供電電壓為5.0V，并且模擬選通器以軌到軌的方式進(jìn)行輸入輸出，輸入信號(hào)在50mV?4900mV范圍內(nèi)均能保證不失真輸出。
[0017]圖4是模擬選通器輸出端低通濾波電路圖。該濾波電路的目的是實(shí)現(xiàn)高精度AD采集，低輸出阻抗，高輸入阻抗。電阻Rl和電容Cl組成RC低通濾波器，其阻值分別是100 Ω和lOOuF，其目的是濾除輸入前端噪聲。電阻R2和電容C3組成的RC低通濾波器主要濾除由運(yùn)放0PA350產(chǎn)生的高頻噪聲，其阻值分別是20Ω和10nF。
[0018]圖5是低通單端轉(zhuǎn)差分電路圖。單端轉(zhuǎn)差分電路主要器件由HS4521運(yùn)放構(gòu)成。電阻R1，R2，R3和R4阻值為Ik Ω，保證輸入信號(hào)與輸出信號(hào)電壓增益為I。VOCM為公共引腳，也是THS4521運(yùn)放電壓參考引腳。在該引腳輸入電壓為2.5V。2.5V參考電壓是通過(guò)串聯(lián)參考電壓源ADR441降壓得到，通過(guò)一個(gè)RC低通濾波器后直接輸入THS4521運(yùn)放。AINP和AINN分別為T(mén)HS4521運(yùn)放正級(jí)輸出和負(fù)極輸出。正負(fù)極標(biāo)準(zhǔn)是按照VOCM輸入電壓而定，正極輸出減去負(fù)極輸出差值等于THS4521運(yùn)放輸入電壓值。采用差分的方式可減少電路中共模干擾。電阻 R5，R6(49.9Ω，49.9