太阳能发电机控制系统的温度采集电路设计

2013-12-17周汉义阮青亮任金鹏

电子科技 2013年5期

丁富，周汉义，阮青亮，任金鹏

(合肥工业大学材料物理与化学系，安徽合肥 230009)

碟式斯特林发电系统利用旋转抛物面反射镜将太阳光聚焦到位于抛物面焦点的接收器上，接收器内的工质被加热到约750℃，驱动斯特林发电机发电，它具有光电转换效率高、耗水量低、发电方式灵活及可逐步规模化等特点［1］。

K型热电偶是一种常用的温度传感器，它利用热电效应，根据冷热端温度差产生的热电动势来测量温度，且具有线性度好、测量精度高、构造简单、使用方便等优点。

斯特林太阳能发电机的温度测量系统工作原理如下:各路K型热电偶输出的mV级模拟信号经过温度采集电路转换成数字信号，然后通过并口通讯方式送入单片机，单片机读取到数字量之后再结合温度补偿电路获得的数字量，按照一定的算法将数字量换算为对应的温度。最后将温度值传送给上位机。整个温度测量系统结构如图1所示。

图1 温度测量系统框架图

本文主要讨论温度测量系统中的温度采集电路部分，温度补偿电路不作讨论。

1 温度采集电路设计及其原理

1.1 电路设计原理

由于发电过程中需要同时测控近40组温度参数，所以需要多路K型热电偶同时对各个测温点的温度进行测量。多路K型热电偶输出mV级的弱电信号，分别经过放大器放大，再由模数转换电路将放大后的模拟信号转换成数字信号通过并口传输给单片机。其结构如图2所示。

图2 温度采集电路原理框架图

1.2 信号放大电路

由于K型热电偶是根据冷热端温度差产生的热电动势来测量温度的，其输出的是mV级的小信号，而AD7606是±5 V的双极性信号输入，因此mV级的小信号若要通过AD7606转换成数字量，必须先将其精准放大。由图2可知，本电路选用INA128仪表放大器作前级放大。K型热电偶输出mV级小信号，容易受到测量环境周围的噪声干扰，从而对信号路径中的其他电子元器件有较高的要求。因此，选择INA128，它是一种精密低功耗仪表放大器，且具有差分输入特性，具有高共模抑制比、温漂小，可有效降低噪音干扰［2］，其内部原理圈如图3所示。它内部集成了3片OP放大器，封装尺寸小，使得其应用范围相当广泛［3］。它的放大倍数可以从1调到10 000，而外部只需通过接一个电阻来调节，其放大倍数G=1+50 kΩ/RG。

图3 INA128内部原理图

放大电路中RG选用的是680Ω的精密电阻，由此放大倍数为G=1+50 kΩ/RG=74.5。这是因为K型热电偶根据冷热端温度差产生的热电动势的范围在－555 mV之间，放大后的模拟电压范围必须要保证在AD7606的模拟信号输入范围±5 V以内，选用680Ω的精密电阻可以较好满足上述要求。放大电路的原理图如图4所示，TA1－与TA1+接K型热电偶的感应热电动势输出端，TA1N与TA1P之间的模拟信号为放大之后的信号，他们分别连接到AD7606的差分模拟信号输入端上进行A/D转换。

图4 放大电路原理图

需要指出的是，电路加入了断偶检测功能。图4中TA1－通过一个100 MΩ的大电阻连接至AVSS(－5 V)，其中大电阻起到限流保护作用，当K型热电偶断开即TA1－与TA1+之间断开时，TA1－处的电压就是AVSS(－5 V)，TA1+接地(0 V)，即INA128的输入级电压为5 V，放大后的电压为5 V，而K型热电偶的热电动势的范围在－555 mV，经INA128放大后最大不超过4.1 V，由此可判定热电偶是否断开。断偶检测功能大幅方便了判定热电偶安装是否接触不良以及检测热电偶是否损坏。

1.3 A/D转换电路

A/D转换电路是基于16位8通道同步采样A/D转换芯片AD7606设计的，由于需要测量很多组温度数据，而每块AD7606可以采集8组温度，所以选用8通道的AD7606可以有效减小成品电路板的尺寸，同时其16位的分辨率能使得测温精度达到0.1℃，满足项目要求。AD7606的同步采样与采样速率可调的特性能保证采样效率，且AD7606有两种数据传输方式串口和并口，采用16位高速并口传输方式，这也大幅节约数据传输时间，提高传输效率，从而可以节约更多时间给主控单片机提高自身的执行效率。

AD7606内部集成了2.5 V带隙电压基准和基准缓冲电路，其温度系数典型值为 ±10×10－6/℃［4］。在设计电路时可选用内部集成的2.5 V带隙电压基准，也可选择外部基准，电路设计中选择的是外部基准。因为，斯特林太阳能发电设备主要安装在光强大、太阳能充裕的地区，这些地区通常昼夜温差较大，对电压基准的要求较高，而AD7606内部集成的电压基准温漂较大，不符合要求。另外，同时使用多片ADC的设计电路时，如果需要高绝对精度，也应采用高初始精度和低温度系数的外部基准，以消除不同器件内置基准之间的差异而带来的误差［5］。电路选用的是初始精度为0.04%，温度系数为3×10－6/℃，电压为2.5 V的基准芯片ADR421作为外部基准源，可将温漂对芯片精确度的影响降至最低。A/D转换电路的原理图如图5所示。图中AD7606的OSC2:0管脚设置芯片采样速率为25 ksample·s－1，REF SELECT 管脚置低是设置芯片工作基准电压为外部基准电压，BYTE SEL管脚置低是设置芯片的数据传输方式为高速并口，RANGE管脚置低是设置芯片模拟量输入范围±5 V以内，4964号管脚为差分模拟量输入管脚，连接的是经INA128放大后的模拟信号。

图5 A/D转换电路原理图

2 实验和结论

在实验中利用毫伏电压源代替K型热电偶接至INA128的输入端，即模拟出K型热电偶产生的热电动势，另外接上由电源板提供的电源使采样电路正常工作。调节毫伏电压源的输出电压值(TA1－与TA1+之间的电压值VIN)，然后测量出INA128放大后的输出电压值(TA1N与TA1P之间的电压值VOUT)，同时用单片机的在线调试功能读出AD7606模数转换之后得到的AD值。

表1 不同V IN下对应的V OUT和AD值

表1是TA1－与TA1+之间的电压值VIN变化时，TA1N与TA1P之间的电压值VOUT的变化情况和A/D转换之后得到的AD值变化情况。观察他们之间的变化规律可得出结论:第一，无论VIN如何变化都会引起VOUT的变化，且VOUT的值始终是在VIN值的74.5倍左右，由此可知INA128放大误差小、精度高，放大效果理想。第二，VOUT的变化同样引起AD值的变化，且两者变化规律几乎完全相同，且等比例变化，由此可知AD7606进行A/D转换时，分辨率高，增益误差和偏移误差较小，转换得到的数字量正确、且稳定，可用于运算。

实验过程中还验证了环境温度的变化对AD7606的工作状态和转换精度的影响情况。任意选取几组输入电压值VIN，使用热吹风机改变AD7606的工作环境温度时，记录AD7606模数转换之后得到的AD值，观察变化情况，数据如表2所示。