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1、智能热电偶温度测控系统设计 摘 要 作为工业测控系统重要参数 温度的精确采集具有重要的工程意义和价值 综合考 虑到目前温度测控不精确以及控制依赖性太强的问题 采用 51 单片机进行智能控制 并能进行精确测量 本设计采用了带有冷端补偿的温度转换芯片 MAX6675 K 型热电偶 89C51 单片 机 数码管等元器件设计了相应温度采集电路 温度转换电路 温度控制电路 超量 程报警电路 数码管显示电路 结合硬件电路给出了相应的软件设计 测温精度可达 到 0 25 本系统的工作流程是 首先热电偶采集温度 数据经过 MAX6675 内部电 路的处理后送给单片机进行算法处理 最后通过数码管电路显示出测量温
2、度 本设计 最后对系统进行了 proteus 的调试和仿真 实现了设计的预期要求 关键词 MAX6675 热电偶 单片机 冷端补偿 Design of Intelligent Thermocouple Temperature Measurement and Control System ABSTRACT As the important parameters of the industrial measurement and control system temperature precision sampling has important engineering significance
3、and value In this paper considering the current oven temperature monitoring and control dependencies too imprecise question through 51 single intelligent control and can be measured accurately This design uses a temperature conversion chip MAX6675 K type thermocouple 89C51microcontroller LED and oth
4、er components design corresponding temperature acquisition circuit temperature converter circuit temperature control circuit over range alarm circuit the LED display circuit With the hardware give out The corresponding software design temperature measurement accuracy up to 0 25 The system works is f
5、irst acquisition thermocouple temperature data through the Treatment of the of the MAX6675 internal circuit and be then sent to 89C51 Aim for rapid algorithm processing Finally the LED circuit shows the measurement temperature values In the last the design of the system was proteus debugging and sim
6、ulation achieve the design requirements KEY WORDS MAX6675 thermocouple microcontroller cold side compensation 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪 论 1 2 系统原理概述 3 2 1 热电偶测温的算法实现 3 2 2 热电偶测温基本原理 4 2 3 热电偶冷端补偿方案确定 5 2 3 1 分立元器件冷端补偿方案 5 2 3 2 集成电路温度补偿方案 5 2 3 3 方案确定 6 2 4 硬件组成原理 6 2 5 软件系统工作流程 6 3 硬件设计 8 3 1 热电偶简介
7、 8 3 1 1 热电效应 8 3 1 2 热电偶基本定律 9 3 1 3 热电偶温度补偿 10 3 1 4 热电偶的结构形式 10 3 1 5 K 型热电偶概述 12 3 1 6 K 型热电偶特点 12 3 2 具有冷端补偿的数字温度转换芯片 MAX6675 功能简介 13 3 2 1 冷端补偿专用芯片 MAX6675 性能特点 13 3 2 2 冷端补偿专用芯片 MAX6675 温度变换 14 3 2 3 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的冷端补偿问题 15 3 2 4 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的热补偿跟噪声补偿问题 15 3 2 5 冷端补偿专用芯片 MAX6675 测量精度
8、的提高方法 15 3 2 6 冷端补偿专用芯片 MAX6675 的温度读取 15 3 3 单片机选择及部分功能简介 16 3 4 路同相三态双向总线收发器 74LS245 18 3 5 硬件电路详细设计 19 3 5 1 温度采集电路 19 3 5 2 显示电路 20 3 5 3 报警电路 21 3 5 4 单片机控制电路 22 4 软件设计 24 4 1 主程序设计 25 4 2 温度采集转换程序设计 26 4 3 显示程序设计 28 5 系统仿真 29 5 1 Proteus 概述 29 5 2 系统仿真结果 29 6 总结 31 致 谢 32 参 考 文 献 33 附 录 34 1 绪
9、论 温度是反映物体冷热状态的物理参数 对温度的测量在冶金工业 化工生产 电力 工程 机械制造和食品加工 国防 科研等领域中有广泛地应用 在某些特殊的场合对 温度的准确性有很高的要求 例如 在发电厂 冷库 工业制造等地方对温度的要求都 很严格 因此针对以上问题提出智能温控的思想 通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器 热敏电阻 热电偶 半导体温度 传感器等几种 其中热电阻又分为精密型热电阻 铠装热电阻 端面热电阻 隔爆型热 电阻等 这些常用温度传感器一般的温度测量中可以满足温度测量的问题 但在一些特 殊的场合就不能达到精确测量的要求 热电阻虽然在工业应用中应用也比较广泛 但是由于它的测温范围
10、使它的应用受到 一定的限制 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的 特性 其优点也很多 也可以远距离传输电信号 灵敏度高 稳定性强 互换性以及准 确性都比较好 但是需要电源激励 不能实现瞬时测量温度的变化 在精确度上有些欠 缺 工业用热电阻一般采用 Pt100 Pt10 Cu50 Cu100 铂热电阻的测温范围一般为 200 800 铜热电阻一般为 40 50 不能满足一些场合的需求 而热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件 它的主要特点就是测温范围宽 性 能比较稳定 同时结构简单 动态响应好 更能远距离传输 4 20mA 电信号 便于自动 控制和集中控制 热电偶的测
11、温原理是基于热电效应 将两种不同的导体或半导体连接 成闭合回路 当两个接点处的温度不同时 回路中产生热电势 这种现象称为热电效应 又称为塞贝克效应 在工业标准热电偶中 K 型 镍铬 镍硅 热电偶由于具有价格低廉 输出热电势值较 大 热电势与温度的线性关系好 化学稳定性好 复制性好 可在 1000 下长期使用等 特点 因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件 但是将热电偶应用在基于单 片机的嵌入式系统领域时 却存在着以下几方面的问题 非线性 热电偶输出热 电势与温度之间的关系为非线性关系 因此在应用时必须进行线性化处理 冷端补偿 热电偶输出的热电势为冷端保持为 0 时与测量端的电势差值 而在
12、实际应用中冷端的 温度是随着环境温度而变化的 故需进行冷端补偿 数字化输出 与嵌入式系统接口 必然要采用数字化输出及数字化接口 而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直 接满足这个要求 在许多热工实验中 往往面临热电偶冷端温度问题 不管是采用恒温 补偿法 冰点补偿法 还是电桥补偿法 都会带来实验费用较高 实际的检测系统较复杂 难以达到实时测量 接口转换电路复杂等问题 而随着计算机测控技术在工业生产制造 领域的普遍应用 温度参数的微机化测量与控制已成为必然趋势 因此我们必须解决对 热电偶测量信号的放大调理 非线性校正 冷端补偿 模数转换 数字输出接口等一系 列复杂的问题 以及解决模拟与数字电路
13、硬件设计过程和建表 查表 插值运算等复杂 的软件编制过程 以达到使电路简化 成本减少 增加系统可靠性的目的 鉴于上面的分析 本论文主要任务是设计一种基于高精度 K 型热电偶传感器的温度 测控系统 采用带有冷端补偿的温度转换芯片 MAX6675 K 型热电偶 89C51 单片机 数码管等元器件设计出相应温度采集电路 温度转换电路 温度控制电路 超量程报警 电路 数码管显示电路 系统用单片机对带有冷端补偿的温度转换芯片 MAX6675 进行 控制 要达到任务书中的技术指标 并对系统进行 protuse 的调试和仿真试验 使其具有 良好的实用性能 能够实现温度的高精度测量及控制 2 系统原理概述 2
14、 1 热电偶测温的算法实现 热电偶测温系统测温时 温度是一个缓慢上升的过程 且温度随时间的变化并不是 一个线性的过程 因此要实现温度测控就要考虑热电偶的热惰性时间常数问题 2 采用 合理的软件算法 下面就从基本算法着手 其原理就是在等间隔的时间点 t1 t2 t3连 续采集三个温度值 然后根据采集温度值跟热时间常数 3 初始温度 T0 稳定后的温 度之间的关系 最后得出的数学计算公式 4 从而得到所测量温度值 测温时 时T T 间随着温度变化如图 2 1 所示 时间 t 温 度 T t1t2t3 图 2 1 时间随着温度变化曲线 由温度与时间及时间常数关系式 2 1 t eTTTtT 0 当
15、t 分别为 t1 t2 t3时 2 2 1 01 t eTTTtT 2 3 2 02 t eTTTtT 2 4 3 03 t eTTTtT 由式子 2 1 得 2 5 TT TtT e t 0 当 t 分别为 t1 t2 t3时 则有 2 6 TT TtT e t 0 1 1 2 7 TT TtT e t 0 2 2 2 8 TT TtT e t 0 3 3 由式子 2 6 式子 2 7 得 2 9 TtT TtT e tt 2 1 12 由式子 2 7 式子 2 8 得 2 10 TtT TtT e tt 3 2 23 因为 t1 t2 t3时间间隔相等 则 t3 t2 t2 t1 可得 2
16、 11 TtT TtT TtT TtT 3 2 2 1 整理式子 2 11 得 2 12 2 312 312 2 tTtTtT tTtTtT T 由式 2 12 可知稳定后的温度只跟采集的三个温度值相关 此算法与时间常数等未 知量都不相关 所以通过此算法只要在等间隔的时间内采集三个温度值 通过软件算法 计算就可实现温度的测量 2 2 热电偶测温基本原理 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 当两端存在温度 梯度时 回路中就会有电流通过 此时两端之间就存在热电动势 这就是所谓的塞贝克 效应 两种不同成份的均质导体为热电极 温度较高的一端为工作端 热端 温度较 低的一端为自由端 冷端 自由端通常处于某个恒定的温度下 根据热电动势与温度 的函数关系制成热电偶分度表 分度表是自由端温度在 0 时的条件下得到的 不同的 热电偶具有不同的分度表 在热电偶回路中接入第三种金属材料时 只要该材料两个接 点的温度相同 热电偶所产生的热电势将保持不变 即不受第三种金属接入回路中的影 响 因此 在热电偶测温时 可接入测量仪表 测得热电动势后即可知道被测介质的温 度 热电偶的热电势 应注意
