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1、毕业设计 论文 1 基于热电偶炉温测量系统设计 摘要 随着计算机技术的高速发展 单片机在测试领域的作用越来越大 本 文设计的温度测量系统采用AD C812单片机作为控制中心 利用K型热电 偶将温度转换成电信号 通过AD C812中的模 数转换芯片完成AD转换 同时用移位寄存器74LS164进行串行输入 并行输出实现温度的显示 并且 系统可以对高温进行报警 其硬件结构简单 精度高 适合于各种温度测 量系统 检测结果表明 系统最小区分温度为1 关键词 K 型热电偶 AD590 AD C812 温度检测 毕业设计 论文 2 Design of the Temperature Measure Syst
2、em Based on Thermocouple ABSTRACT A temperature detection system based on AD C812 is designed in the alarm system as the wide applications of MCU in testing fields That conversion from Temperature to electric signals is realized by K type thermocouple and A D is completed by AD C812 and temperature
3、display implemented by shift register 74LS164 It ll alarm when it is high temperature The structure of the hardware is very simple high precision and suitable for all kinds of temperature measure system The result of the test shows that the minimum distinguished temperature of the system is 1 KEY WO
4、RDS K type thermocouple AD590 AD C812 temperature measure 毕业设计 论文 I 目 录 第第 1 1 章章 设计背景及研设计背景及研究究意义意义 1 1 1 设计课题的提出 1 1 2 温度测量系统的开发背景 1 1 3 开发温度测量系统的目的及意义 2 1 4 形成温度测量系统的主要内容 2 第第 2 2 章章 系统方系统方案案的设计的设计 4 第第 3 3 章章 硬件的硬件的设设计计 5 3 1 信号的采集电路 5 3 1 1 热电偶的选择 5 3 1 2 热电偶的标度变换 6 3 1 3 热电偶的补偿方法 6 3 1 4 单片机 A
5、D C812 14 3 1 5 调理电路 18 3 2 复位电路 19 3 3 串行通信电路 20 3 3 1 串行通信 20 3 3 2 RS 232C 标准 20 3 3 3 MAX232 芯片介绍 20 3 3 4 串行接口电路 21 3 4 显示电路 22 3 5 报警电路 23 第第 4 4 章章 软软件件的设计的设计 24 4 1 软件实现方法 24 4 2 总体程序流程图 25 4 3 子程序清单 27 4 3 1 温度采集子程序 27 4 3 2 报警电路子程序 29 毕业设计 论文 II 4 3 3 LED 显示程序 30 第第 5 5 章章 设设计计感想感想 35 致谢致谢
6、 36 参考文献参考文献 37 附录附录 38 毕业设计 论文 1 第 1 章 设计背景及研究意义 1 1 设计课题的提出 在现代化的工业生产中 电流 电压 温度 压力 流量 流速和开 关量都是常用的主要被控参数 例如 在冶金工业 化工生产 电力工程 造纸行业 机械制造和食品加工等诸多领域中 人们都需要对各类加热炉 热处理炉 反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制 采用 AD C812 单片 机来对温度进行控制 不仅具有控制方便 组态简单和灵活性大等优点 而且可以大幅度提高被控温度的精度技术指标 从而能够大大提高产品的 质量 因此 单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问 题 本课题是
7、利用该单片机设计出一种基于 K 型热电偶的炉温测量系统 1 2 温度测量系统的开发背景 温度测量是一门应用极广的技术 无论在现代工业赖以生存和发展的 能源动力工程中 还是在诸如大规模集成电路 生物技术 航天科技等新 兴技术领域中 或者在与人们日常生活密切相关的冶金 材料 食品等行 业中 都发挥着巨大的作用 它不仅为节约能源 提高设备热效率和发掘 新材料等众多领域带来巨大的经济效益 而且对进一步保护环境 促进和 保持一个国家和地区的可持续发展产生巨大影响 随着国民经济的发展 对各种工业产品及电力能源的需求量越来越大 从传统的能源消费情况来看 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国 我国大部分的电站
8、锅炉 工业炉窑与工业锅炉是以煤炭作为主要能源的 每年我国仅发电与其它工业耗煤就占了煤炭总消费量的 2 3 左右 年耗标 准煤 4 亿吨以上 然而传统的燃煤方式和煤炭加工过程比较落后 许多设备仍采用老式 的控制装备 其控制精度低 可靠性差 对炉膛火焰的温度分布等参数缺 乏精确的检测和控制 这是造成燃烧不充分及燃料浪费的重要原因之一 而燃烧产物 尤其是不良燃烧物的排放 将会造成严重的大气污染 因此 毕业设计 论文 2 锅炉燃烧监测与控制的研究和改进对工业生产具有重要的现实意义 1 3 开发温度测量系统的目的及意义 随着国民经济的日益发展 对电力的需求量越来越大 我国电站中采 用火力发电占有很大比例
9、 在火力发电中锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内 建立并保持稳定 均匀的燃烧火焰 燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最 直接的反映 燃烧不稳定不仅会降低锅炉热效率 产生污染物 在极端的 情况下可能引起锅炉炉膛灭火 如处理不当就会引发炉膛爆炸 造成严重 的人身及设备事故 为了预防这些危害 就必须进行切实有效的燃烧诊断 和火焰监测 为了实现火焰燃烧控制系统的自动化运行 需选取一些能够 及时表征燃烧过程的热物理参数来反映设备的运行工况 采用火焰温度场 作为控制参数 具有明显的优越性 因为燃料量的扰动首先会引起燃烧放 热的变化 燃烧火焰温度场的瞬态变化直接体现了燃烧过程的稳定性 温 度场分布与燃烧效率 气体污染
10、物排放以及炉膛出口未燃尽碳损失都有重 要关系 工业炉的结构 加热工艺 温度控制等 都会直接影响加工后的 产品质量 因此温度是锅炉生产蒸汽质量的重要指标之一 也是保证锅炉 设备安全的重要参数 同时 温度也是影响锅炉传热过程和设备效率的主 要因素 因此温度检测对于保证锅炉的安全 经济运行 提高蒸汽产量和 质量 减轻工人的劳动强度 改善劳动条件具有极其重要意义 在保证产 品质量 提高生产效率 节约能源 安全生产 促进国民经济发展等诸多 方面起到了至关重要的作用 本论文以上述问题为出发点 设计实现了温度实时测量 显示 报警 本设计方案具有较高的测量精度 更加适合对温度精度要求较高的化工生 产 电力工程
11、等行业 并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果 1 4 形成温度测量系统的主要内容 温度测量首先是由温度传感器来实现的 测温仪器通常由温度传感器 和信号处理两部分组成 温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象 毕业设计 论文 3 的温度值转换成电的或其它形式的信号 传递给信号处理电路进行信号处 理转换成温度值显示出来的 温度传感器随着温度变化而引起变化的物理 参数有 膨胀 电阻 电容 热电动势 磁性能 频率 光学特性及热噪 声等等 最简单的温度测量系统是由温度传感器及和温度显示仪表组成的 而较完善的温度测量系统是由温度传感器 温度显示仪表和温度记录仪表 组成 或者还将温度信号经转换器转
12、换为统一的电信号经过微机控制处理 形成一个闭环的系统来实现对温度的精确测量与控制 如图 1 1 所示 图 1 1 温度测量系统的构成 给定值 温度被测对 象 温度传感器温度显示仪表 温度转换器微机控制器 毕业设计 论文 4 调 理 电 路 LED 显示 温 度 传 感 器 AD C812 转换 报 警 第 2 章 系统方案的设计 本次毕业设计题目为基于热电偶的炉温度测量系统的要求为 1 测量温度范围为 0 500 2 温度显示为 0 500 3 测得值大于设定的温度报警 这个炉温测量系统的测量过程是 单片机定时对炉温进行检测 经 A D 转换后得到相应的数字电压量 显示出当前温度值 并且与设定
13、值相 比较 若超过该设定温度值就报警 如图 2 1 所示 图 2 1 系统构成图 由该过程图可以知道我们进行系统设计时应注意 1 温度测量范围 0 500 这就涉及到测温元件的选择与调理电路 的设计等 2 测量精度 超调量等指标 这涉及到 A D 转换精度 控制规律选择 等 温度传感器将外部温度转换为模拟电流信号 接着调理电路中的信号 放大器将电流信号转换成电压信号并自动调整信号的增益大小 使得信号 在单片机中的 A D 转换芯片的量程范围内放大 在单片机的控制下 A D 转换芯片完成信号的 A D 转换 然后将转换后的数字信号与设定值数据比 毕业设计 论文 5 较和 BCD 码转换成实际温度
14、值 最后利用数码管对当前温度显示和报警 第 3 章 硬件的设计 3 1 信号的采集电路 3 1 1 热电偶的选择 两种不同的导体 A 和 B 连接在一起 构成一个闭合回路 当一端温度 为 T0 另一端温度为 T 假设 T T0 这时回路中就有电流或 EAB T T0 热电势产生 其大小可由测量电路测出 利用热电效应可以测量物体的温 度 我们把闭合回路称为热电偶 A B 导体称为热电极 T 接触点为热 端 又称工作端 T0接触点为冷端 又称参考端 测温时 将热端放置在 被测温度为 T 的介质中 而冷端接入电测仪表 可通过电测仪表测量热电 偶回路中的热电势 热电偶就是通过测量热电动势来实现测温的
15、1 图 3 1 热电偶示意图 在实际测温时 被测对象是很复杂的 应在熟悉被测对象 掌握各种 热电偶特点的基础上 根据使用环境 温度的高低等因素正确地选择热电 偶 首先 根据使用温度 t 当 t 1000 时多选用廉金属热电偶 如 K 型 热电偶 它的特点是使用温度范围宽 高温下性能比较稳定 其次 是使 用环境 当 t 1300 时 多选用 N 或 K 型 它是廉金属热电偶中抗氧化 性最强的热电偶 最后 就是根据参考端温度来选择 当 t 1000 时 毕业设计 论文 6 可选用镍钴 镍铝廉金属热电偶 参考端温度在 0 300 范围内时 可忽 略其影响 根据课题要求及测量的环境参数 发现 K 型热
16、电偶具有测温范 围宽 线性度好 热电势率比较高 灵敏度高 抗氧化能力较强 在还原 与氧化气氛中输出热电动势均较稳定这些优点 因此它是一种最通用的适 于 1300 以下温度测量的热电偶 2 K 型热电偶测温的参考函数为 3 1 式中 E 为电动势 单位为 mV 为摄氏度 为有关系数 90 t 0 a 1 a i C 此函数覆盖 0 1372 温度范围 3 而该系统要求的温度范围为 0 500 通过计算得出 0 时 E0 0mV 500 时 E500 22 33mV 因 此输出电动势范围为 0mV 22 33mV 得出了这个范围 就可以设计出 相对应的调理电路来进行信号的调理 对于 K 型热电偶 电压变化率为 41 电压可由线性公式 3 2 来近似热电偶的特性 上式中 Vout为热电偶输出电压 mV tR是测量 点温度 tAMB是周围温度 4 3 1 2 热电偶的标度变换 采用 K 型镍铬镍硅热电偶 测量温度范围为 0 500 热电偶输出的 热电势为 0 22 33mV 经放大变为 0 5V 的直流电压 A D 转换 从而得 到与被测温度对应的数字量 供计算机调用 因此必须通过一定的处理
