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1、摘要本次课题设计所选用的温度测量元件是热电偶，它以AT89C51单片机为核心组成部分，并通过AD590集成温度传感器的作用下进行测量，并以一端温度0为标准，即冷端温度T0，再对热量较高的另一端进行测量，即热端温度T。本次设计所使用的是K型热电偶，它是目前使用量比较大的一种廉金属热电偶，它的工作原理是通过I/V转换，再结合线性放大，使其完成分时A/D转换，在转换完成后所输出的数字信号会传递给单片机，经由单片机进行计算，进而得到ROM地址，此时便可以进行二次查表，得出最终的温度值，该值会通过LED数码管来显示。热电偶软件需要用到C语言、模块化设计来实现。关键词：热电偶 冷端温度补偿 89C51单片
2、机 线性化标度变换第一章 绪论1.1 前言温度作为一种常见的物理量，用来反映的是某物体的冷热程度。而温度传感器的工作原理是自身特性会随着物体温度的变化而变化，进而反映出不同的温度测量值。根据这一特性，可以发现生活中存在很多常见的适用于做温度传感器的材料，它们的特定也会随温度的改变而改变，如，水银温度计、气体温度计、电阻温度计、红外温度计、光学高温计、液体压力温度计、热电偶温度计等等。在迈入21世纪以后，温度传感器正向着智能化的高科技方向发展，科研人员不断研究如何提高温度测量的安全性、准确性、标准化，另外，虚拟传感器以及网络传感器的开发也是一个重要的未来研究方向。现阶段在接触式测温过程中，采用最
3、多的热电式传感器是热电偶传感器，它在工业领域中应用也非常广泛。它的优点是：精准度高、测温范围广（-180-1800）、热惯性小、方便制造、信号输出方式还能进行远距离传输。以下将要提到的是一个基于热电偶的温度测试系统的相关介绍。核心设计部件是AT89C51单片机，工作原理是对冷端温度T0的测量采用集成温度传感器，而对热端温度T的测量则采用热电偶测温仪（镍铬-镍硅热电偶）。该K型热电偶在接入电源时必须满足12V和5V的要求,具有LED显示功能。该测温仪是经过一定的结构设计，并利用C语言编程的形式所写出的一个软件。在实际运用当中，若是有时需要改动温度测量的范围，抑或是为检测出设备在开始测温前是否能正
4、常工作，还可以将键盘加入到此设计中。通常在工业领域的测量过程中，测量值往往会受到周围环境的影响，如噪音、电场、磁场等，使得实际测量值不准确。因此，在设计软件时，可以针对这种情况，加入一组滤波程序的设计，即对采样信号经过多次测量并最终得到平滑加工过后的数据，以确保有用信号在采样过程中的相对准确性，尽量减少甚至是消除外界的干扰，保障系统能持续有效的工作。分段直线拟合方法是本设计中运用到的一种有效测量方法，既能减少存储空间，还能提高测量的精度。1.2 国内外智能温度检测技术的发展 1.2.1国内外测温技术现状随着社会的飞速发展，工业领域的温度检测技术也取得了很大进展，以下是目前最常采用的温度检测方法
5、：（1）利用物理学中的热胀冷缩原理，主要有以下三类温度计：压力温度计、双金属温度计以及玻璃温度计。（2）温度检测元件利用的是热电效应技术。热电偶温度检测计就是根据这种技术制成的，它发展至今，已经成为一种最常用作温度检测的元件之一。它还可以作为温度传感器的敏感元件，因其具备精度高、测量范围宽、制作简单以及热惯性小等优点。（3）根据热阻效应技术所做成的温度计：电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。（4）高温计采用的热辐射原理，即不同性质的物体在吸收热辐射后，会产生反射、透射或是吸收的物理作用。像这样常见的两种热辐射高温计是：单色辐射高温计、全辐射高温计。1.2.2 温度检测技术在国内外的发展现
6、阶段工业生产技术得到了质的飞跃，生产效率也大大提升，机器自动化设备也越来越先进，在此背景下，对应用在工业领域里面的温度检测技术也提出了更高的要求，概括如下：（1）提高温度检测范围。-200到30000是目前工业上普遍采用的一个温度检测范围标准，要求未来实现对超高温与超低温的测量。（2）拓展测温的广度。要求未来的温度检测技术不应仅限于对点的测温上，还应延申在线、面以及对立体的测量上。除开在工业领域有广泛应用外，应用领域还拓展到了家用电器、汽车工业以及航天工业等。（3）开发新产品。在老的检测技术前提下，再开发出新型产品，以满足不同场合、不同工业实际情况的发展需求。另外，也应充分利用起新的检测技术以
7、实现新产品的开发。（4）测温器必须满足特殊环境的适应性。由于测量场合的不同，会使得必须采用相对应的特殊温度检测器，如防爆、防震动等要求，另外还有测量高速旋转物体、火焰等的温度。（5）数字化呈现方式。将温度测量仪的测量值以数字化形式显示出来，方便人们更加直观地获得测量结果，另外又因其准确性高、分辨率好的特点，使得其具备很强的实用性。（6）自动化标定技术。在计算机技术的应用前提下，能够准确、快捷地自动标定出温度检测器。1.3 课题研究内容本文介绍一个基于热电偶的温度测试系统，本设计是以AT89C51单片机为核心，由AD590集成温度传感器测量冷端温度T0，由热电偶测量热端温度T。该热电偶采用K型热
8、电偶（镍铬-镍硅热电偶）。使用12V和5V电源。采用4位共阴极LED显示。该热电偶测温仪的软件用C语言编写，采用模块化结构设计。主要研究以下课题涉及内容：（1） 选用热电偶的结构、测温原理、冷端温度补偿（2） 单片机接口选用AT89C51、温度传感器接口选用AD590（3） 对整体电路进行系统性的设计（4） C语言编写子程序：A/D转换子程序、软件主程序、显示子程序等（5） 调试软件系统和硬件第二章 整体方案设计2.1 设计原则 单片机系统主要体现出以下几方面的特点：可靠性高、操作维护方便、性价比高等。(1) 可靠性在应用单片机系统时必须满足可靠性这一重要前提，它也是在系统设计中必须遵循的一个
9、重要准则。以下是为提高单片机系统的可靠性所提出的几点可行性方向：增加系统自诊断功能、考虑高可靠性的元件、提高供电电源的抗干扰能力、采用输入与输出通道的抗干扰措施等等。(2) 操作维护在设计硬件和软件系统时，需要从操作者以及维护的角度出发，以低操作性来满足对操作人的基本专业需求，也为更好推广此系统创造了有利前提。所以在设计过程中，应不断简化操作方法与内置系统，减少人与机器交互的动机。(3) 价格性能除了小尺寸和低能耗外，它还具有高性价比的优点，这也是单片机系统之所以能在工业中被广泛采用的一个重要原因。因此，在对其进行设计时，既要保证单片机系统的高性能，还要尽可能地使成本降低。比如，在保障系统功能
10、性的前提下，对外围硬件电路进行简化，尽量采用软件以替代硬件的相关功能。2.2 整体设计思路整体设计思路是：先测量出热端的温度T，再用集成温度传感器测量出冷端温度T0，然后进行温度补偿操作，随后将从热端和冷端测出的温度值进行I/V转换和线性放大。再采用A/D的形式将这两端信号分时进行转换，最后再输送到单片机进行处理，通过系统运算之后，得出热电偶测得的实际温度值，再显示在LED数码管上。2.3 整体设计框图冷端温度T0经由AD590集成温度传感器测量得出，热端温度T则由热电偶测量得出。然后再对两者进行转换和放大后，进入分时模数转换系统，经过A/D转换后的信号再输送到单片机模块，再进行运用处理，得到
11、ROM地址，从而得出测量的实际温度值，最终显示再显示在4位共阴极的LED数码管上。见图1图2-1 整体设计框图第三章 系统的硬件电路设计该系统所应用到的硬件电路模块涵盖了核心组成部分单片机、冷端补偿以及热端电路等模块。3.1 单片机模块本次课题所用的AT89C51单片机，其主要性能标准如下所示：能够与MCS-51系列单片机兼容是一种自带4k字节的能够进行编程的FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据存储的时间能够保留至少10年全静态操作模式下工作频率范围在0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线16位的可编程定时器有两个5个中断源可编程串行通道闲置模式下功
12、率消耗较低片内振荡器和时钟电路如下图2及表1所示，为 AD89C51单片机的封装及管脚详细参数说明：图2 AD89C51单片机DIP封装及管脚图名称管脚类型功能Vss20I地Vcc40I电源：提供掉电空闲正常工作电压P0.0-0.739-32I/OP0口：P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。P1.0-1.71-8I/OP1口：P1口是能够带动内部实现向上拉的一个双向I/O口，当在该口写入1，便会带动接口向上拉，是高电平输入口。而当期用作输入脚，P1口则会产生输出电流
13、。P1口第2功能：T2(P1.0)：定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出。T2EX(P1.1)：定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。P2.0-2.721-28I/OP2口：P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址(MOVXDPTR)，此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式(MOVRi)访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。P3.0-3.710-17I/OP3口：P3口是带内
14、部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。P3口还具有以下特殊功能：RxD(p3.0)：串行输入口TxD(P3.1)：串行输出口INT0(P3.2)：外部中断0INT1(P3.3)：外部中断T0(P3.4)：定时器0外部输入T1(P3.5)：定时器1外部输入WR(P3.6)：外部数据存储器写信号RD(P3.7)：外部数据存储器读信号RST9I复位：当晶振在运行中，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。P
15、SEN29O程序存储使能：当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时PSEN无效，访问内部程序存储器时PSEN无效。XTAL119I晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入XTAL218O晶体2：反相振荡放大器输出EA/Vpp31I外部寻址使能/编程电压：在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。如果EA为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压(Vpp)。如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。ALE30O地址锁存使能：在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。表1 AD89C51单片机管脚说明A/D转换器采用的是极少使用的BCD码输出方式，其中2-12-8口并未采用总线控制方式。所以，该单片机在与其连接时，只能通过I/O口或是其扩展接口来达到连接目
