基于ＡＤ５９０传感器的温度测量系统电路设计

胡　志

[摘要]介绍一种新型的简易温度测量系统电路。该系统采用一种新的电流/脉宽转换电路,与常用的温度测量系统比较,具有测量范围广、精度高、构成简单、成本低廉等优点。

[关键词]AD590传感器555集成电路温度测量系统

中图分类号:TN7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0710011-01

一、引言

目前工业上温度测量系统存在下列问题:(1)存在电压信号损失和噪声干扰问题;(2)系统精度由A/D转换器的精度决定,要想提高精度就需要采用高精度的A/D转换器,从而使系统成本增加;(3)A/D转换器同后续的单片机接口时,占用的数字资源较多;(4)使用A/D转换器使外围电路复杂。为解决常用测量方案中存在的问题,本文采用电流输出型传感器AD590来避免信号损失、噪声干扰问题和电流/脉宽转换电路代替A/D转换器,通过测量脉宽可以测量电流信号。

二、温度测量系统电路

系统电路主要由电流输出型传感器AD590、555集成电路和8051单片机3部分组成(如图1)。

图1 温度测量系统电路图图2 电流/脉宽转换电路图

该温度测量系统采用集成温度传感器AD590。AD590是电流输出型温度传感器,以电流输出量作为温度指示,其电流温度灵敏度为1μA/K。由于它的输出电流正比于绝对温度,故可以作为精确的温度测量元件,而且内阻极高,适合远距离测量。AD590只需要一个电源(+4～+30V),即可以实现温度到电流源的转换。AD590的校准精度可达0.5℃,当其在常温区范围内校正后,测量精度可达0.1℃.在全温区范围(-50℃～+150℃)使用,精度也可高达1℃。0℃时流过AD590的电流为273.2μА,温度每变化1℃,其流过的电流变化1μA,即AD590所处温度为X时,流过它的电流为:I=(273.2+X)μA。因此,可以通过本文设计的电路测量脉宽来求得电流I,进而求得温度X。在该电路中I=K/T1,所以:X=(K/T1一273.2)℃,(其中K=C1*Vcc/3为比例系数)。

其中T1是通过单片经来测量的。利用555集成电路设计的高性能的电流/脉宽转换电路,结构简单,对外围元件性能要求不高。555集成电路的输出引脚3连接到单片机的INTO脚,实现了对脉宽T1的测量。

三、简易的电流/脉宽转换电路

(一)电路的结构和原理。电流/脉宽转换电路由一块555集成电路实现,电路结构如图2。传感器AD590的输出连接到555电路的7,2,6端,555电路的输出端3就可以输出脉冲电压信号。电流/脉宽转换电路的工作原理为:555电路工作在多谐振荡方式下,其放电端7,阈值端6,触发端2同连在A点。当电容C1上(A点)的电位低于Vcc/3时,即555电路的2端电位低于Vcc/3,其内部的放电管截止,放电端7于其内部电路断开,此时传感器模块的输出电流I对电容C1充电。这个过程可以看作一个恒定电流对电容充电过程,于是A点电位随着电容C1的充电而线形地上升(设充电期为T1)。在此期间555电路的输出端3输出高电平。当A点的电位上升到2Vcc/3时,555内部的放电管导通,放电端7相当于与内部一个小电阻相连接并接地。于是A点电位随着电容C1的迅速放电而快速下降(设放电期为T2),在此期间555的输出端3输出低电平。当A点电位随着电容C1的放电而下降到低于Vcc/3时,又将重复前过程。如此循环,便形成周期性的脉冲信号输出。

由于A点的电位在Vcc/3～2Vcc/3之间变化,即电容上的电压幅值在2Vcc/3～Vcc/3=Vcc/3之间变化,所以充电期T1为:

T1=C1/*Vcc/3*I(1)

电容C1放电时,其电位在2Vcc/3～Vcc/3之间变化,所以放电期T2为:

T2=0.693*R*C1(2)

式中,R为555电路内部放电管导通时的等效电阻。

在图2中,电流I与充电时间T1有着确定的关系,即电路输出的瞬时高电平脉宽与输入电流成反比。该电路的输出连续的跟踪输入电流,直接响应输入电流的变化,实现了电流/脉宽转换。

(二)电路参数的选取。电流/脉宽转换电路(图2)中,充电时间为T1。由(1)式T1=C1/*Vcc/3*I可知道,若C1和Vcc为定值,则可以通过测量T1求得I值。T1的大小可以通过8051单片机进行测量。若单片机的系统时钟采用12MHz晶振,其定时器最小分辨率为1μs。由(1)式可知,I=K/T1,其中K=C1*Vcc/3为比例系数。下面在一组电路参数下对标准电流(4～20mA)测量结果及分析。

电路参数:Vcc=5V,C1=47μF,则K=78333μs·mA。

T1用普通8051单片机测量,系统晶振为12MHz。但传感器的输出电流I=4mA时,T1=19583μs;当I=20mA时,T1=3917μs。其最大有效位数为l3(19583-3917=15666>213)由于I与T1成反比,所以在I=20mA时有效分辨率最低,但优于11位分辨率。因为:78333/(20-2O/211)-78333/20>lμs,所以系统总体分辨率优于11位A/D转换器性能。

若设系统的总体分辨率为n,则

K(20一20/2n)一K/20>I (3)

所以:n=log2K～log220 (4)

式中,K=C1*Vcc/3。由式(3)、(4)可知道,增大C1和Vcc,可以提高系统的总体分辨率。Vcc的选取受电路所在系统和555集成电路的供电电压限制。显然,电容C1越大则分辨率越高;但电容C1过大,会引起瞬时放电电流过大,烧坏555芯片。电容增大也会影响系统的另外一个性能,即响应时间增大;因此在实际的系统中,应该综合考虑各方面来选取合适电容。

上面的讨论是基于工业上的标准电流(4-20mA)的测量进行的讨论,得到电容C1的取值趋向。一般地,当电流在毫安级时,电容C1的数值可以在1-100pF选取;当电流在微安级时,电容值过大则会使响应时间过长,所以应选小一些,可在0.01-0.1μF选取。但电容值也不能过小,否则会由于放电时间太短(小于1μs)使单片机不能区分高低电平,造成测量失效。

四、结束语

本温度测量系统采用一种新的电流/脉宽转换电路。该电路测量范围广,精度高,对环境适应能力强,在工业测控、生活环境等领域都有广泛的用途。

参考文献:

[1]刘笃仁、韩保君,传感器原理及应用技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

[2]肖景和,555集成电路应用精粹/集成电路应用丛书[M].北京:人民邮电出版社,2007.