熱流傳感器信號采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)計一種基于C8051單片機(jī)的熱流傳感器信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)增加專用的溫度信號采集模塊，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(熱流計或熱流量計)就是測量熱流大小的元件。熱流的測試方法很多，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法測量。
在研究Gardon型熱流傳感器時發(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試時間。該系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是在采集傳感器信號的同時。采集熱沉體溫度信號。

2 系統(tǒng)組成及設(shè)計
該采集系統(tǒng)的信號有兩組：一組是熱流密度值對應(yīng)的電壓值，即測量信號；一組是由監(jiān)測溫度的熱電偶輸出電壓值，即監(jiān)測信號。而對于兩組信號的采集與處理，采用不同方法：測試信號采用專用的放大器和濾波器；監(jiān)測信號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。

整個測試系統(tǒng)包含測試信號調(diào)理、溫度信號處理、控制、存儲、通信以及電源等模塊。以下主要介紹測試信號調(diào)理及溫度信號處理模塊。
2．1 測量信號調(diào)理模塊
Gardon型熱流傳感器，其輸出的熱電勢與入射熱流成正比。由于實際輸出的熱電勢比較小，不一定滿足單片機(jī)采樣要求。因此，必須對信號進(jìn)行放大和中心電平的調(diào)整。熱流傳感器模擬信號經(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，其測試信號調(diào)理電路如圖2所示。

熱流傳感器產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)過圖2測試信號調(diào)理電路后，信號放大、濾波性能良好，畸變率小；而且使用MAX291濾波器，可以增加信號的可靠性和穩(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比圖。

2．2 溫度信號處理模塊
監(jiān)測溫度信號為K型熱電偶的輸出信號。而熱電偶信號調(diào)理電路包含有冷端補償，線性化，放大電路。經(jīng)過調(diào)理后的熱電偶信號再送往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)計及調(diào)試，難度過高且所占體積也不小，所以都不是設(shè)計首選。因此對熱電偶信號的調(diào)理及采集采用專用器件MAX6675。MAX6675是Maxim公司生產(chǎn)的帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行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，縮小溫度信號處理模塊的體積，而且可直接將模擬信號轉(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的輸出波形及時序。