太陽能發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的溫度采集電路設(shè)計

丁 富，周漢義，阮青亮，任金鵬

(合肥工業(yè)大學(xué)材料物理與化學(xué)系，安徽合肥 230009)

碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡將太陽光聚焦到位于拋物面焦點的接收器上，接收器內(nèi)的工質(zhì)被加熱到約750℃，驅(qū)動斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電，它具有光電轉(zhuǎn)換效率高、耗水量低、發(fā)電方式靈活及可逐步規(guī)模化等特點［1］。

K型熱電偶是一種常用的溫度傳感器，它利用熱電效應(yīng)，根據(jù)冷熱端溫度差產(chǎn)生的熱電動勢來測量溫度，且具有線性度好、測量精度高、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點。

斯特林太陽能發(fā)電機(jī)的溫度測量系統(tǒng)工作原理如下:各路K型熱電偶輸出的mV級模擬信號經(jīng)過溫度采集電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過并口通訊方式送入單片機(jī)，單片機(jī)讀取到數(shù)字量之后再結(jié)合溫度補(bǔ)償電路獲得的數(shù)字量，按照一定的算法將數(shù)字量換算為對應(yīng)的溫度。最后將溫度值傳送給上位機(jī)。整個溫度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫度測量系統(tǒng)框架圖

本文主要討論溫度測量系統(tǒng)中的溫度采集電路部分，溫度補(bǔ)償電路不作討論。

1 溫度采集電路設(shè)計及其原理

1.1 電路設(shè)計原理

由于發(fā)電過程中需要同時測控近40組溫度參數(shù)，所以需要多路K型熱電偶同時對各個測溫點的溫度進(jìn)行測量。多路K型熱電偶輸出mV級的弱電信號，分別經(jīng)過放大器放大，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過并口傳輸給單片機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度采集電路原理框架圖

1.2 信號放大電路

由于K型熱電偶是根據(jù)冷熱端溫度差產(chǎn)生的熱電動勢來測量溫度的，其輸出的是mV級的小信號，而AD7606是±5 V的雙極性信號輸入，因此mV級的小信號若要通過AD7606轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，必須先將其精準(zhǔn)放大。由圖2可知，本電路選用INA128儀表放大器作前級放大。K型熱電偶輸出mV級小信號，容易受到測量環(huán)境周圍的噪聲干擾，從而對信號路徑中的其他電子元器件有較高的要求。因此，選擇INA128，它是一種精密低功耗儀表放大器，且具有差分輸入特性，具有高共模抑制比、溫漂小，可有效降低噪音干擾［2］，其內(nèi)部原理圈如圖3所示。它內(nèi)部集成了3片OP放大器，封裝尺寸小，使得其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛［3］。它的放大倍數(shù)可以從1調(diào)到10 000，而外部只需通過接一個電阻來調(diào)節(jié)，其放大倍數(shù)G=1+50 kΩ/RG。

圖3 INA128內(nèi)部原理圖

放大電路中RG選用的是680Ω的精密電阻，由此放大倍數(shù)為G=1+50 kΩ/RG=74.5。這是因為K型熱電偶根據(jù)冷熱端溫度差產(chǎn)生的熱電動勢的范圍在－555 mV之間，放大后的模擬電壓范圍必須要保證在AD7606的模擬信號輸入范圍±5 V以內(nèi)，選用680Ω的精密電阻可以較好滿足上述要求。放大電路的原理圖如圖4所示，TA1－與TA1+接K型熱電偶的感應(yīng)熱電動勢輸出端，TA1N與TA1P之間的模擬信號為放大之后的信號，他們分別連接到AD7606的差分模擬信號輸入端上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖4 放大電路原理圖

需要指出的是，電路加入了斷偶檢測功能。圖4中TA1－通過一個100 MΩ的大電阻連接至AVSS(－5 V)，其中大電阻起到限流保護(hù)作用，當(dāng)K型熱電偶斷開即TA1－與TA1+之間斷開時，TA1－處的電壓就是AVSS(－5 V)，TA1+接地(0 V)，即INA128的輸入級電壓為5 V，放大后的電壓為5 V，而K型熱電偶的熱電動勢的范圍在－555 mV，經(jīng)INA128放大后最大不超過4.1 V，由此可判定熱電偶是否斷開。斷偶檢測功能大幅方便了判定熱電偶安裝是否接觸不良以及檢測熱電偶是否損壞。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路是基于16位8通道同步采樣A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606設(shè)計的，由于需要測量很多組溫度數(shù)據(jù)，而每塊AD7606可以采集8組溫度，所以選用8通道的AD7606可以有效減小成品電路板的尺寸，同時其16位的分辨率能使得測溫精度達(dá)到0.1℃，滿足項目要求。AD7606的同步采樣與采樣速率可調(diào)的特性能保證采樣效率，且AD7606有兩種數(shù)據(jù)傳輸方式串口和并口，采用16位高速并口傳輸方式，這也大幅節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸時間，提高傳輸效率，從而可以節(jié)約更多時間給主控單片機(jī)提高自身的執(zhí)行效率。

AD7606內(nèi)部集成了2.5 V帶隙電壓基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖電路，其溫度系數(shù)典型值為 ±10×10－6/℃［4］。在設(shè)計電路時可選用內(nèi)部集成的2.5 V帶隙電壓基準(zhǔn)，也可選擇外部基準(zhǔn)，電路設(shè)計中選擇的是外部基準(zhǔn)。因為，斯特林太陽能發(fā)電設(shè)備主要安裝在光強(qiáng)大、太陽能充裕的地區(qū)，這些地區(qū)通常晝夜溫差較大，對電壓基準(zhǔn)的要求較高，而AD7606內(nèi)部集成的電壓基準(zhǔn)溫漂較大，不符合要求。另外，同時使用多片ADC的設(shè)計電路時，如果需要高絕對精度，也應(yīng)采用高初始精度和低溫度系數(shù)的外部基準(zhǔn)，以消除不同器件內(nèi)置基準(zhǔn)之間的差異而帶來的誤差［5］。電路選用的是初始精度為0.04%，溫度系數(shù)為3×10－6/℃，電壓為2.5 V的基準(zhǔn)芯片ADR421作為外部基準(zhǔn)源，可將溫漂對芯片精確度的影響降至最低。A/D轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖5所示。圖中AD7606的OSC2:0管腳設(shè)置芯片采樣速率為25 ksample·s－1，REF SELECT 管腳置低是設(shè)置芯片工作基準(zhǔn)電壓為外部基準(zhǔn)電壓，BYTE SEL管腳置低是設(shè)置芯片的數(shù)據(jù)傳輸方式為高速并口，RANGE管腳置低是設(shè)置芯片模擬量輸入范圍±5 V以內(nèi)，4964號管腳為差分模擬量輸入管腳，連接的是經(jīng)INA128放大后的模擬信號。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖

2 實驗和結(jié)論

在實驗中利用毫伏電壓源代替K型熱電偶接至INA128的輸入端，即模擬出K型熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，另外接上由電源板提供的電源使采樣電路正常工作。調(diào)節(jié)毫伏電壓源的輸出電壓值(TA1－與TA1+之間的電壓值VIN)，然后測量出INA128放大后的輸出電壓值(TA1N與TA1P之間的電壓值VOUT)，同時用單片機(jī)的在線調(diào)試功能讀出AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換之后得到的AD值。

表1 不同V IN下對應(yīng)的V OUT和AD值

表1是TA1－與TA1+之間的電壓值VIN變化時，TA1N與TA1P之間的電壓值VOUT的變化情況和A/D轉(zhuǎn)換之后得到的AD值變化情況。觀察他們之間的變化規(guī)律可得出結(jié)論:第一，無論VIN如何變化都會引起VOUT的變化，且VOUT的值始終是在VIN值的74.5倍左右，由此可知INA128放大誤差小、精度高，放大效果理想。第二，VOUT的變化同樣引起AD值的變化，且兩者變化規(guī)律幾乎完全相同，且等比例變化，由此可知AD7606進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，分辨率高，增益誤差和偏移誤差較小，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量正確、且穩(wěn)定，可用于運(yùn)算。

實驗過程中還驗證了環(huán)境溫度的變化對AD7606的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)換精度的影響情況。任意選取幾組輸入電壓值VIN，使用熱吹風(fēng)機(jī)改變AD7606的工作環(huán)境溫度時，記錄AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換之后得到的AD值，觀察變化情況，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度下AD7606轉(zhuǎn)換之后的AD值

從表2中看出環(huán)境溫度變化時，AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的AD值基本保持不變。因此，AD7606選擇外部基準(zhǔn)時，工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，幾乎不受環(huán)境溫度的影響。從而可得出結(jié)論:ADR421受溫度影響小，適合做AD7606的基準(zhǔn)電壓源，AD7606選用外部基準(zhǔn)的設(shè)計成功。

表1和表2的實驗結(jié)果表明，本文所述斯特林太陽能發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的溫度采集電路設(shè)計在功能上能滿足穩(wěn)定、高精度、高分辨率的溫度測量要求，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。

［1］劉建明，陳革，章其初.碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)最新進(jìn)展［J］.中外能源，2011，16(4):36 －40.

［2］BONNIE B.用模擬增益級前端實現(xiàn)△－∑轉(zhuǎn)換器增益少量提升的設(shè)計方案［J］.國外電子元器件，2007，14(9):68－70.

［3］張良春，何勇.基于ARM的電子送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機(jī)信息，2006，22(20):151 －153.

［4］Analog Device Inc.AD7606 datasheet.8 － channel DASwith 16 － bit，bipolar input，simultaneous sampling ADC ［M］.USA:Analog Device Inc，2010.

［5］于克泳，孫建軍.新一代16位8通道同步采樣ADCAD7606在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品世界，2010，17(10):63－65.