摘要：介紹了一種基于EDA技術(shù)的熱電偶實驗裝置。本系統(tǒng)以ispPAC和單片機為核心電路，輔以高精度A/D轉(zhuǎn)換器件及LED顯示器，實現(xiàn)對溫差電動勢的測量及數(shù)字顯示。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、集成度高、靈活性強、實驗成本低等特點。
關(guān)鍵詞：熱電偶, ispPAC，單片機，A/D轉(zhuǎn)換器
1. 引言
在大學(xué)物理熱電偶實驗中，傳統(tǒng)的溫差電動勢的測量多采用補償法，溫度的測量使用水銀溫度計。整個實驗過程復(fù)雜、原理不直觀，儀器誤差較大。因其對電源要求高而常使用干電池或者穩(wěn)壓電源，從而導(dǎo)致實驗成本高。為了解決傳統(tǒng)實驗方法中存在的問題，筆者研制了一種基于ispPAC[1]和單片機的熱電偶實驗儀，該實驗儀放大電路采用在線系統(tǒng)可編程模擬器件ispPAC（In-System Programmability Programmable Analog Circuit），使用其開發(fā)軟件PAC-Designer在計算機中可進行重復(fù)的設(shè)計、修改與配置功能模塊；采用數(shù)字傳感器精確的測量溫度；利用高精度A/D轉(zhuǎn)換器件對結(jié)果進行數(shù)字化；利用單片機對整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與顯示。整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、價格低廉。
2 實驗系統(tǒng)的設(shè)計
2.1系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由如圖1所示的溫差電動勢測量模塊、CPU控制模塊、溫度測量模塊和LED顯示模塊共四個模塊組成[2-5]。溫差電動勢經(jīng)過ispPAC可編程放大后被轉(zhuǎn)換成直流電壓，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過單片機控制電路送入LED顯示，最終實現(xiàn)人機接口。
2.2 溫差電動勢測量電路設(shè)計
本系統(tǒng)采用的在系統(tǒng)可編程模擬器件為美國Lattice公司生產(chǎn)的芯片。它由4個可編程模擬信號處理電路模塊(PAC Block)，模擬信號布線區(qū)和在系統(tǒng)可編程接口電路等部分組成，器件用5V單電源供電。每個PAC模塊由兩個差分輸入(Differential Inputs)儀表放大器(IA1和IA2)，1個反饋放大器IAF和1個差分輸出(Differential Outputs)求和放大器(OA1)所組成。其中儀表放大器的跨導(dǎo)增益可調(diào)（gm的變化范圍為2uA/V～20uA/V），電路輸出阻抗為109歐姆，共模抑制比為69db。 反饋放大器IAF增益固定，等于2uA/V。輸出放大器的反饋電容Cf有多種電容值(1pF-62pF)可供選擇。溫差電動勢由IA1的Vin+和Vin-端輸入。PAC模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1系統(tǒng)框圖
圖2 PAC模塊結(jié)構(gòu)圖
圖中，信號從IA1輸入，輸入信號：
Vin=Vin+ －Vin- （1）
輸出信號：
Vout=Vout+ －Vout- （2）
而：Ia=gm1×Vin （3）
Ib= (Vout+ －Va) ×SCf （4）
Ic=gm3 ×Vout （5）
因為處理的溫差電動勢為直流信號Ib，實際等于零。由基爾霍夫電流定律及反饋放大器IAF輸入阻抗大的特點可得Ia =Ic，從而得PAC模塊的傳遞函數(shù)為：
Vout=(gm1/gm3) ×Vin （6）
將ispPAC10內(nèi)的4個PAC模塊采用級連的方式構(gòu)成電路，可以得到增益為1～10000中任意數(shù)值的放大電路。此實驗儀所用的熱電偶由康銅和鐵兩種金屬組成，溫差100℃時輸出溫差電動勢約為2.38mv。為滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入滿度電壓取值應(yīng)小于5V的接口要求，將放大倍數(shù)設(shè)置為1000。
利用模擬可編程芯片開發(fā)系統(tǒng)PAC-Designer完成ispPAC10的編程和設(shè)計。將4個差分輸入(Differential Inputs)儀表放大器(IA1、 IA3、 IA5、 IA7)串聯(lián)連接,溫差電動勢從IN1輸入，從OUT4輸出，電路連線如圖4。各儀表放大器的放大倍數(shù)依次設(shè)定為：10，10，10和1，即電壓信號被放大1000倍?？紤]到信號接入過程的誤差，在設(shè)定完參數(shù)后應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，并適當(dāng)調(diào)整放大倍數(shù)作為補償。
圖3 ispPAC10內(nèi)部電路連接示意圖
2.3 溫度測量電路及接口
本系統(tǒng)采用的溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式3引腳數(shù)字溫度傳感器DS18B20，溫度測量范圍為－10℃～＋125℃，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃。被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源在本系統(tǒng)中由系統(tǒng)電源直接提供。單片機以一根端口線即P2.4與之通信。
2.4 單片機和A/D轉(zhuǎn)換器及顯示驅(qū)動的接口
單片機和A/D轉(zhuǎn)換器及顯示驅(qū)動的接口電路如圖4所示。單片機采用ATMEL公司的增強型芯片AT89C51；A/D轉(zhuǎn)換器采用具有高分辨率、低漂移、價格低廉的∑﹣△結(jié)構(gòu)集成電路 AD7705；顯示驅(qū)動選用Maxim公司的高集成化串行輸入/輸出的共陰極LED顯示驅(qū)動器MAX7219 ，每片可驅(qū)動8位7段加小數(shù)點的共陰極數(shù)碼管。
被ispPAC10放大了的電動勢從圖3的OUT4輸出，從AD7705的差分輸入通道2的AINI+和AINI-輸入。AD7705的基準(zhǔn)電壓由5V電源電壓和兩個電阻R1、R2產(chǎn)生，產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓為2.38V，即器件的可編程增益設(shè)定為1的滿標(biāo)度輸入幅度是2.38V。AT89C51的P2.7腳和AD7705的端口DRDY相連用以軟件查詢DRDY線的狀態(tài)，當(dāng)這個輸出端上出現(xiàn)低電平表示可從AD7705的數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)。AT89C51配置成串行接口方式0模式，AD7705的串行時鐘輸入端SCLK所需的時鐘信號由TXD引腳上輸出的同步移位脈沖產(chǎn)生，在SCLK信號的作用下，從AD7705片內(nèi)輸出移位寄存器讀出的串行數(shù)據(jù)由DOUT輸出到AT89C51。在數(shù)據(jù)被保存在內(nèi)存中后，單片機緊接著對DS18B20操作以讀取溫度，然后將表示電壓和溫度的數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)轉(zhuǎn)換成BCD碼，最后由P1.4腳串行輸入到MAX7219。MAX7219的操作代碼“09H”選中操作數(shù)為“0FFH”,即使用BCD譯碼方式，由MAX7219驅(qū)動六位7段碼顯示器分別顯示溫度和電動勢值。
圖4 接口電路圖
2.5實驗測試結(jié)果
采用傳統(tǒng)平衡補償法，通過高精密度電阻和檢流計在室溫27℃條件下測得一組數(shù)據(jù)（其計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字）如下：
|
溫度差(℃) |
23 |
27 |
31 |
37 |
47 |
52 |
57 |
63 |
67 |
74 |
|
溫差電動勢(mv) |
0.62 |
0.64 |
0.72 |
0.92 |
1.14 |
1.23 |
1.34 |
1.52 |
1.62 |
1.80 |
在上述同等條件下，使用同一熱電偶裝置，由LED顯示的溫度值和溫差電動勢值如下表：
|
溫度差(℃) |
23 |
27 |
31 |
37 |
47 |
52 |
57 |
63 |
67 |
74 |
|
溫差電動勢(mv) |
0.63 |
0.65 |
0.74 |
0.93 |
1.16 |
1.22 |
1.35 |
1.53 |
1.64 |
1.82 |
對以上兩組數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合，可以得出傳統(tǒng)方式下的溫差電系數(shù)C=0.0237mv/℃，而本裝置測量數(shù)據(jù)的溫差電系數(shù)C=0.0238mv/℃。由此得出,作為一個熱電偶測量設(shè)備，后者其精度、準(zhǔn)確度已經(jīng)能滿足學(xué)生實驗的要求。
3 結(jié)束語
和傳統(tǒng)實驗方法相比，本實驗儀具有明顯的優(yōu)點：
1）實驗過程實現(xiàn)測量、讀數(shù)的數(shù)字化，實驗原理及物理概念清晰。
2）ISP電路可以重復(fù)編程利用，系統(tǒng)功能則可以利用單片機軟件進行進一步優(yōu)化，整體實驗成本低廉。
3）由于單片機工作頻率為11.0592MHZ，考慮A/D轉(zhuǎn)換時間,溫度和溫差電動勢的讀數(shù)相隔時間以毫秒記，相比在補償法中的由人工讀水銀溫度計和電動勢的精度要高得多。
本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大學(xué)物理實驗課教學(xué)中，獲得了良好的實驗教學(xué)效果，其原理也可以運用到需要較精確測量和控制較高溫度的場合。
本文作者的創(chuàng)新點：解決了傳統(tǒng)熱電偶實驗中存在的過程復(fù)雜、原理不直觀、儀器誤差較大、實驗成本高等問題，實驗證明以ispPAC和單片機為核心的熱電偶實驗儀，實現(xiàn)了對溫差電動勢的測量及數(shù)字顯示，具有穩(wěn)定性好、集成度高、靈活性強、實驗成本低等特點。其原理可以應(yīng)用到大學(xué)物理其它相關(guān)的實驗項目中，具有良好的應(yīng)用前景。
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