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1、 课程设计说明书(论文)题 目 基于热电偶的炉温检测系统设计 课 程 名 称 检测技术课程设计 院 系 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 指 导 教 师 成绩- 1 -课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 检测技术与系统课程设计 院（系、部、中心） 专 业 班 级 姓 名 起 止 日 期 指 导 教 师 - 2 -1课程设计应达到的目的通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系
2、统的方法和技术。2课程设计题目及要求题目:炉温检测系统设计要求：（1） 炉温检测范围 0500,测温精度1；（2） 根据题意，明确被控对象的功能及性能指标；（3）根据系统要求，选择合适的传感器；（4）设计传感器测量电路；（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始） ；（8）画出系统电路图，最好用 PROTEL 画；（9）在说明书中详细说明本系统的设计原则。- 3 -3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸
3、、实物样品等要求(1)给出设计说明书一份；(2)有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；(3)在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用 PROTEL 画） 。4主要参考文献1、陈岭丽.检测技术和系统.北京：清华大学出版社，20052、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.20013、陈爱弟.Protel99 实用培训教程.北京：人民邮电出版社.2000- 4 -5课程设计进度安排起 止 日 期 工 作 内 容第 1 天 布置设计任务，熟悉课题，查找资料；第 2 天结合测控对象，确定系统结构，选择合适的传感器，设计调理电路；第 3 天 选择合适的单片机，设计其外围电路；第 4
4、天 设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系，书写课程设计报告；第 5 天 设计答辩。6成绩考核办法平时表现 30%，设计成果 40%，答辩表现 30%.教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院（系、部、中心）意见：主管领导签字： 年 月 日- 5 -目 录1 引言. . .62 总体设计. . .63 具体设计.73.1 传感器选用73.2 热电偶传感器与单片机的硬件接口设计. .71)热电偶温度传感器信号放大电路72) A/D(模数)转换电路83）锁存器类型104）烘箱温度加热电路设计105）动态显示及键盘接口电路116)总电路图 123.3 热电
5、偶传感器与单片机的软件接口设计.134 结论. .165 参考文献.16- 6 -基于热电偶的炉温检测系统设计1. 引言 温度是表征物体冷热程度的物理量,是实际生活中经常需要测试和控制的参数，它与人们的生活息息相关。而温度传感器应用范围之广、使用数量之大，也是高居于各类传感器之首。本文使用温度传感器设计了一个完整的测温仪系统，该系统所采用的温度传感器是热电偶。在温度测量中，热电耦的应用极为广泛，它具有结构简单、测量范围广、精度高和惯性小等许多优点。2. 总体设计在本设计硬件系统中所选用的 A/D 转换器为逐次逼近式 A/D 转换器 ADC0809。通过放大电路将电压信号放大、保持、再经过 A/
6、D 转换电路进行模/数转换，最后输出数字量，然后送入 MCS-51 单片机进行处理。 另外本文还研究了 MCS-51 单片机控制系统在传感器测温过程中的应用，其中包括对传感器输出的小信号如何进行放大、转换、控制并直接显示成温度量，采用单片机进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性等特点，而且可以大幅度提高被控温度的精度。本系统将温度变换、显示和控制集成于一体。热电偶是当今温度检测的主要器件，本课题的主要出发点是使用热电偶温度传感器设计出一个完整的测温系统。将温度变换、显示和控制集成于一体。对烘箱温度进行实时测量。用 LED 七段数码管显示测量的温度值。本系统采用 K 型热电偶，其测量范围为 ，显
7、示精度为)50(C。1oC温度键盘设置温度传感器M C S 5 1温度显示A / D 转换降温升温保持放大- 7 -图（1）系统结构框图3. 具体设计3.1 传感器的选用选用镍铬-镍硅热电偶（ K 型） ，该热电偶化学稳定性较高，可在氧化性介质中长时间的测量 900以下的温度，短期测量可达 1200；这种热电偶具有复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜，虽然精度低，但完全能满足工业测量要求。V温度补偿电路U 0TAB图（2） 热电偶温度测量电路3.2 热电偶传感器与单片机的硬件接口设计烘箱温度单片机控制系统中的烘箱温度检测电路是由温度传感器结合放大器电路、模拟数字转换电路组成，其中模拟数字转
8、换电路是最重要的一环。由三大部分组成：(1)测量放大电路；(2)A/D 转换电路；(3)显示电路。它广泛应用于工业的测温及温度控制系统中。 本次课程设计采用八位的MCS51 单片机。1) 热电偶温度传感器放大电路本系统采用 LM35D 对热电偶的基准结点进行补偿的电路（同相放大电路）,传感器采用 K 型热电偶。此电路把 的温度变为相应的 05V 电压。除放大以外，还有传感器断线检测与基准点C50补偿电路，而线性处理由计算机进行。热电偶的输出信号极小，每 约为 ，因此，运算放大C01V4器要采用高灵敏度运放。这里采用的是 AD707J 运算放大器。- 8 -K型热电偶+ 1 2 V+ U so
9、u tG N DL M 3 5 DR 42 4 . 3 KR P 1R 59 1 KC 11 0 u FaR 11 KR 22 3 2 KR P 3U 0( 0 5 V )( 0 5 0 0 度 )A D J 7 0 7 JR P 22 K1 0 K+ 1 2 V+ 1 2 V2 01 KR 3R 61 0 0 M基准点补偿电路断线检测低 通 滤 波同相放大电路+图（3）热电偶的测量基准结点补偿电路K 型热电偶 （满度）的感应电动势为 20.64mV，同相运算放大器增益 Av 应为C05 231()RPAv=5V/20.64mV=242(因 时输出要求为 5V)。电路中，o kkR3,12为
10、决定增益大小，用 使增益在 233 与 253 之间可调。3RPk203RP与 C1 为低通滤波器，时间常数越大，消除噪音效果越好，但响应速度变慢。另外， 增大，3R运算放大器的输入偏置电流要产生偏移电压，因此， 值不能过大。AD707J 的最大输入偏置电流为3R2.5nA, 时，产生 的偏移电压。k103V25基准点补偿采用温度传感器 LM35D，它的每 温度相应输出电压为 10mV，用电阻分压，并Co1用电位器 调整使其 a 点电压为 ，进行基准结点温度补偿。1RP0/4.是传感器断线检测电阻。热电偶断线时，运算放大器输出就要超出范围。然而，因接有电阻6，热电偶的内阻要产生偏移电压。例如，
11、热电偶内阻为 （包括 和 阻值）时，201RP5，也要产生 偏移电压。另外，断线时运算放大器输入偏置电流要流经 ，因此，M06 V24 6R不能采用输入偏置电流较大的运算放大器。2) A/D(模数)转换电路 经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为 05V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行 A/D 转换。实际电路中，选用 ADC0809 芯片。ADC0809 是 CMOS 工艺的 8 位逐次比较型 A/D转换器。由 8 选 1 模拟开关，8 位 A/D 转换器及输出三态缓冲器组成，由三个地址信号- 9 -ADDA、ADDB、ADDC 来决定哪一路模拟信号进行 A/D 转换。主要
12、控制信号有：1.START：启动信号2.ALE：地址锁存信号3.EOC：转换结束信号4.CLOCK：时钟信号，由外部输入5.OE：输出允许信号6. 和 ：A/D 转换参考电压， 接+5V， 接地)(REFV)(REF )(REFV)(REF7. ：芯片电源电压，由于是 CMOS 芯片，允许电压范围为+5V 到+15VcADC0809 有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是通过接口芯片和单片机相连。在直接接口方式中，可将 与地址译码信号通过或非门后启动 A/D 转换。如图（3）所示。当执行以下指令时WMOVX R0，ASTART 及 ALE 信号变高。其中 A 中应存放模拟信号通道地址，R0
13、中为 ADC0809 地址。由于该指令为输出指令，故 信号变为低电平，同时地址线上出现 0809 的地址，使译码输出端为低电平，从而RSTART 及 ALE 信号变高，此时数据线上出现的模拟通道号锁存在 0809 地址锁存器中，该指令执行后，开始启动 A/D 转换。当 CPU 执行输入指令时MOVX A，R0及地址译码信号有效，从而选中 OE 将该通道 A/D 转换结果读入累加器 A 中。RD 1 1DC L K Q1A L E锁存器译码器O ES T A R TA L E0 8 0 9A D D AA D D BA D D CD B 0 D B 7E O CC L O C KP 0 口I N 0 I N 7P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 21INTWS图（4）ADC0809 与单片机的硬件接线- 10 -3）锁存器类型74LS373 用作地址锁存器时，应使 OE 为低电平，此时锁存使能端 C 为高电平时，输出 Q0Q7 状态与输入端 D1D7 状态相同；当 C 发生负的跳变时，输入端 D0D7 数据锁入 Q0Q7。51 单片机的 ALE 信号可以直接与 74LS373 的 C 连接。在 MCS-51 单片机系统中，常采用 74LS373 作为地址锁存器使用。其中输入端 1D8D 接至单片机的 P
