熱流傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：為了解熱流傳感器的自身溫度與輸出的具體數(shù)量關(guān)系，設(shè)計(jì)一種基于C8051單片機(jī)的熱流傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)增加專用的溫度信號(hào)采集模塊，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更小，功能更多，且數(shù)據(jù)采集更精確，從而為后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：熱流；熱流傳感器；溫度；AD623；MAX291；MAX6675

1 引言
    熱流又稱熱流密度，指單位時(shí)間內(nèi)單位面積所傳遞的熱量(矢量)。其表征就是轉(zhuǎn)移的熱量、傳遞的大小和方向，而熱流傳感器(熱流計(jì)或熱流量計(jì))就是測(cè)量熱流大小的元件。熱流的測(cè)試方法很多，有瞬態(tài)法，水卡法等。瞬態(tài)法熱流傳感器的工作原理是通過熱電效應(yīng)，產(chǎn)生與熱流值存在一定關(guān)系的電壓。Gardon型熱流傳感器就是一種瞬時(shí)法測(cè)量。
    在研究Gardon型熱流傳感器時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱流傳感器的輸出與其熱沉體的溫度有關(guān)，當(dāng)熱沉體溫度上升到250°C，傳感器的輸出與熱流密度成非線性。研究熱沉體的溫度與傳感器的輸出關(guān)系，有助于拓寬傳感器的測(cè)試時(shí)間。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是在采集傳感器信號(hào)的同時(shí)。采集熱沉體溫度信號(hào)。

2 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)
    該采集系統(tǒng)的信號(hào)有兩組：一組是熱流密度值對(duì)應(yīng)的電壓值，即測(cè)量信號(hào)；一組是由監(jiān)測(cè)溫度的熱電偶輸出電壓值，即監(jiān)測(cè)信號(hào)。而對(duì)于兩組信號(hào)的采集與處理，采用不同方法：測(cè)試信號(hào)采用專用的放大器和濾波器；監(jiān)測(cè)信號(hào)則采用熱電偶的專用處理器件。這樣采集系統(tǒng)功能齊全，體積小，使用方便。
    采集系統(tǒng)要與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，且上位機(jī)要控制采集卡的工作狀態(tài)(開始工作，停止工作，讀數(shù)等)。所以采集系統(tǒng)與上位機(jī)的接口采用RS-232串口。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

    整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包含測(cè)試信號(hào)調(diào)理、溫度信號(hào)處理、控制、存儲(chǔ)、通信以及電源等模塊。以下主要介紹測(cè)試信號(hào)調(diào)理及溫度信號(hào)處理模塊。
2．1 測(cè)量信號(hào)調(diào)理模塊
    Gardon型熱流傳感器，其輸出的熱電勢(shì)與入射熱流成正比。由于實(shí)際輸出的熱電勢(shì)比較小，不一定滿足單片機(jī)采樣要求。因此，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和中心電平的調(diào)整。熱流傳感器模擬信號(hào)經(jīng)放大、濾波等處理后，才能進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其測(cè)試信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

    熱流傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)過圖2測(cè)試信號(hào)調(diào)理電路后，信號(hào)放大、濾波性能良好，畸變率??；而且使用MAX291濾波器，可以增加信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。避免分立元件的各種誤差、漂移影響。圖3是調(diào)理電路濾波前后效果對(duì)比圖。

2．2 溫度信號(hào)處理模塊
    監(jiān)測(cè)溫度信號(hào)為K型熱電偶的輸出信號(hào)。而熱電偶信號(hào)調(diào)理電路包含有冷端補(bǔ)償，線性化，放大電路。經(jīng)過調(diào)理后的熱電偶信號(hào)再送往A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。據(jù)資料顯示，這3部分電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試，難度過高且所占體積也不小，所以都不是設(shè)計(jì)首選。因此對(duì)熱電偶信號(hào)的調(diào)理及采集采用專用器件MAX6675。MAX6675是Maxim公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測(cè)的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其溫度分辨能力為0．25℃，冷端補(bǔ)償范圍為-20℃~十80℃，工作電壓為3．0～5．5 V。該器件不僅大大簡化電路設(shè)計(jì)，縮小溫度信號(hào)處理模塊的體積，而且可直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12bit的數(shù)字量，而且接口簡單，采用SPI串行接口，方便與單片機(jī)通信。該器件采用SO-8封裝，體積小，可靠性高。圖4為單片機(jī)控制MAX6675的輸出波形及時(shí)序。

3 軟件控制
    使用C8051單片機(jī)作為控制器。控制測(cè)量信號(hào)的采集及與MAX6675的接口，且通過RS-232串口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)通過串口向采集系統(tǒng)發(fā)送命令，控制其工作的狀態(tài)。同時(shí)采集系統(tǒng)還帶有1 GB的Flash，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。該系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    系統(tǒng)上電工作后，通過上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作，系統(tǒng)啟動(dòng)MAX6675的控制，并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。圖6為某次測(cè)試實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

    該組數(shù)據(jù)通過相關(guān)的畫圖軟件，將得到在實(shí)驗(yàn)過程中熱沉體溫度的曲線，如圖7所示，其測(cè)試時(shí)間為1 200 s。

5 結(jié)論
    該熱流傳感器采集系統(tǒng)較好完成所提出的設(shè)計(jì)任務(wù)。由于采用集成化思想，減小系統(tǒng)體積。在熱流傳感器溫度的監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)精度高，再現(xiàn)傳感器工作過程中的溫度變化，并通過監(jiān)測(cè)溫度修正傳感器輸出，從而拓展傳感器的測(cè)試時(shí)間。