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热流传感器信号采集系统硬件设计

发布时间:2020-06-30 21:56:00 阅读: 来源:香炉厂家

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

本文引用地址: 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。

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