熱流傳感器信號采集系統硬件的設計應用

　　1 引言

　　熱流又稱熱流密度，指單位時間內單位面積所傳遞的熱量(矢量)。其表征就是轉移的熱量、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，有瞬態法，水卡法等。瞬態法熱流傳感器的工作原理是通過熱電效應，產生與熱流值存在一定關系的電壓。Gardon型熱流傳感器就是一種瞬時法測量。

　　在研究Gardon型熱流傳感器時發現，熱流傳感器的輸出與其熱沉體的溫度有關，當熱沉體溫度上升到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系，有助于拓寬傳感器的測試時間。該系統設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 系統組成及設計

　　該采集系統的信號有兩組：一組是熱流密度值對應的電壓值，即測量信號；一組是由監測溫度的熱電偶輸出電壓值，即監測信號。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；監測信號則采用熱電偶的專用處理器件。這樣采集系統功能齊全，體積小，使用方便。

　　采集系統要與上位機實現通信，且上位機要控制采集卡的工作狀態(開始工作，停止工作，讀數等)。所以采集系統與上位機的接口采用RS-232串口。系統組成框圖如圖1所示。

　　整個測試系統包含測試信號調理、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理及溫度信號處理模塊。

　　2．1 測量信號調理模塊

　　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，不一定滿足單片機采樣要求。因此，必須對信號進行放大和中心電平的調整。熱流傳感器模擬信號經放大、濾波等處理后，才能進入A／D轉換器進行模數轉換，其測試信號調理電路如圖2所示。

　　熱流傳感器產生的模擬信號經過圖2測試信號調理電路后，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定性。避免分立元件的各種誤差、漂移影響。圖3是調理電路濾波前后效果對比圖。

　　2．2 溫度信號處理模塊

　　監測溫度信號為K型熱電偶的輸出信號。而熱電偶信號調理電路包含有冷端補償，線性化，放大電路。經過調理后的熱電偶信號再送往A／D轉換器進行模數轉換。據資料顯示，這3部分電路的設計及調試，難度過高且所占體積也不小，所以都不是設計首選。因此對熱電偶信號的調理及采集采用專用器件MAX6675。MAX6675是Maxim公司生產的帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數轉換器，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換成12bit的數字量，而且接口簡單，采用SPI串行接口，方便與單片機通信。該器件采用SO-8封裝，體積小，可靠性高。圖4為單片機控制MAX6675的輸出波形及時序。

　　3 軟件控制

　　使用C8051單片機作為控制器。控制測量信號的采集及與MAX6675的接口，且通過RS-232串口與上位機實現數據交換，上位機通過串口向采集系統發送命令，控制其工作的狀態。同時采集系統還帶有1 GB的Flash，實現數據的存儲功能。該系統的程序流程如圖5所示。

　　4 實驗結果

　　系統上電工作后，通過上位機對系統進行相關操作，系統啟動MAX6675的控制，并存儲相關數據。圖6為某次測試實驗的相關數據。

　　該組數據通過相關的畫圖軟件，將得到在實驗過程中熱沉體溫度的曲線，如圖7所示，其測試時間為1 200 s。

　　5 結論

　　該熱流傳感器采集系統較好完成所提出的設計任務。由于采用集成化思想，減小系統體積。在熱流傳感器溫度的監測方面，系統精度高，再現傳感器工作過程中的溫度變化，并通過監測溫度修正傳感器輸出，從而拓展傳感器的測試時間。