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1、热电偶测温系统设计任务书课程传感器课程设计题目热电偶测温系统设计主要内容：本系统以单片机为核心，硬件设计使用高精度模 /数转换器和高精度数/模转 换器，分别实现对热电偶电动势的采样、放大、AD转换和对线性化处理的数据转换，并在程序中采用修正后的数据，实现热电偶的线性化处理。基本要求：1、按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；2、利用热电偶和单片机等设计一种热电偶测温系统电路。3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作 原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。主要参考资料：1 崔志尚温度计量与测试M.北京：中国计量出版社，1998.2 赵茂泰.智能仪器原理及
2、应用M.北京：电子工业出版社，2007.3 陈杰，黄鸿传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，2006.4 刘华东.单片机原理与应用M.北京：电子工业出版社，2006.完成期限指导教师专业负责人2016年5月7日摘要在现代化的工业现场，常用热电偶测试高温，测试结果送至主控机。热电偶是 工程上应用最广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、使用方便、准确度、热 惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽等优点，适用于信号的远传、自动 纪录和集中控制，在温度测量中占有重要地位。但由于热电偶的热电势与温度呈 非线性关系，所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。该测温系统通 过高精度模/数转换器AD
3、7705对热电偶电动势进行采样、放大,并在单片机内采用 一定算法实现对热电偶的线性化处理,再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产 生4 mA 20mA的电流,送入主控中心。关键词：热电偶；线性化；AD转换；DA转换；单片机目录一、设计要求0二、设计方案及其特点 01、方案说明02、方案论证1三、传感器工作原理1四、电路的工作原理2五、 单元电路设计、参数计算和器件选择 31、单元电路设计 32、参数计算43、器件选择5六、 总结错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。热电偶测温系统设计一、设计要求以单片机为核心，进行对系统控制和线性化算法的运算，使A/D转换精度更好；在算法处理上，
4、使用最佳计算方法，使得线性化算法达到运算量小、处理速 度快、占用内存小等要求，并使该系统能很好的解决热电偶测试高温的精度问 题。二、设计方案及其特点本设计是基于STC89C52单片机的硬件设计。对于系统可分为下面两种不同 的设计方案：1、方案说明方案一：系统由K型热电偶和集成温度传感器 AD590测量热端和冷端温度， 采用USB采集卡实现信号采集并传输给计算机。根据热电偶中间温度定律，编制软件采用查表和曲线拟合进行非线性校正及冷端补偿。利用LabVIEW的数据存储、读取、分析函数，实现温度趋势曲线和统计直方图的绘制。本系统将滤波、非线性和冷端补偿等功能由软件实现，简化了电路设计，提高了系统的稳
5、定 性和测量精度，但成本较高。热电偶 补偿导线图1方案一原理框图方案二：控制电路以单片机为中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模/数转换部分采用16位高精度AD转化器AD7705，采用自校准，提高其抗干扰能力 和精度；数/模转换部分采用高精度DA转换器AD421，在电路设计上，采用光隔 离，控制AD421完成其功能，AD421为16位高精度数/模转换器，它将来自单片机 线性化处理后的数据进行DA转化，产生4mA-20mA电流，送控制中心3。这种方 案保证成本，采用了良好的线性化算法，编程又采用可节约内存的汇编语言，使 得测量速度快，测量结果能满足工业标准的要求。去4mA-20m测量电路图2方
6、案二原理框图2、方案论证从精确度来看，方案一强于方案二，但方案二电路实现简单，占用内存较 小，抗干扰能力强，成本较低。所以一般地说，需要稳定性好可选用方案一测量 电路，若考虑便于与单片机接口连接，那么方案二测量电路就由其方便之处。因 此本设计中选用方案二。三、传感器工作原理热电偶传感器的工作原理：两种不同成份的导体两端接合成回路，当接合点 的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动 势称为热电势4。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测 量介质温度的一端叫做测量端，另一端叫做补偿端；冷端与显示仪表或配套仪表 连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
7、如图 3所示。T o e电极图3热电偶工作原理图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，温度较低的一端为自由端，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0C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，
8、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。四、电路的工作原理电路的工作原理图如图4所示心&a亠1趴pn I 尹 | 尹|”asccLh 总JE8 E3&3 3 总 危J.巴仁 j.3严 EME召 E as E E图4总原理图I *IT7 31E口.i*测温系统通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大,并 在单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理,再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4 mA 20mA的电流,送入主控中心并显示。五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计模/数转换部分电路如图5所示_I环1_SC1KVD匚3MCLK0
9、C1 DN4签 DOUT5REEL! g EKOYCAK2 AN：7.4Dn-) ETrK8_Am 啲 RLFIM M11II|14TVuCLWJLJVIr*T图5 A/D转化电路原理图采用16位、双通道、高精度模/数转换功能的AD7705。AD7705能直接对来自 传感器的微弱信号进行A/D转换5。使用时通过单片机控制其单双极性、增益倍 数、选择通道的输入和工作模式的选择等；用 AD584基准芯片为AD7705采集模块 提供基准电压，使AD7705可以正常且稳定的工作 。数/模转换部分电路如图6所示。IFivcc图6 D/A转化电路原理图CAPJKCJBE*JvocRTF DC1JLEFCU
10、TEWVE:RZFCCT：5LATCHCMOP6CLOCK7DATABOOtl12Cl11C2LQOPRJjr1CClIV-c:ItIPC19丄觇采用16位高精度数/模转换器AD4217。AD421由电流环路供电，16位数字信 号以串行方式输入，4-20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。AD421内部含有电压调整器可提供+5V，+3.3V或+3V输出电压，还含有+1.25V, +2.5V基准电源，均可为其自身或其它电路选用 。AD421采用习ADAC结构，保 证16位的分辩率和单调性，其积分线性误差为土 0.001%,失调误差为土 0.1%，增 益误差为土 0.2%，其标准的三线串
11、行接口可在10Mbps下运行，便于与通用微处理 器或微控制器相连。2、参数计算软件是算法和功能实现的关键。该部分主要完成的任务是：A/D转换器的配置、启动和数据读取。对信号的线性化处理。D/A转换器配置和数据读取。其中线性化算法主要参考“最佳非等距线性插值算法在热敏电阻测温中的应用”，提出 一种“最佳非等距离分段算法”，根据标度转换，在不同分段上推导出y = kx+ b的 线性化算法。整体设计和调试，以K分度热电偶为例。通过调节滑动变阻器，模拟补偿后 的K分度热电偶的热电势，送入AD7705完成模/数转换，转换后的数据送入单片机 进行线性化处理，使处理后单片机输出的数据与温度呈现线性关系；最后
12、再将线 性化后的数据，送至AD421经数/模转换，输出电流值9。本系统采用误差修正公 式来消除系统误差，从输出端引反馈量到输入端来改善系统的稳定。在无误差的理想情况下,有汗0, i = 0，K是常数,于是存在关系(1)y Kx在有误差的情况下，则有y Kxyy y1-i1y&R2由此可以推出xbiybo可改写成下简明形式y1x bibo式中：x热电偶产生的电压；y带误差的输出到D/A转换器的电压；E 影响量（例如零点漂移或干扰）；i偏差量（例如直流放大器的偏置电流）7K影响特性（例如放大器增益）。把热电偶分度表各温度时电压值x经过运算求出各温度时对应的y值，y值一般包含小数，由于A/D转换器的
13、离散性和分辨率的限制，所以只保留整数部分， 保存到单片机ROM中，在每次测量完温度数据后直接由y值查表，运算求相应温 度。3、器件选择表1兀器件清单号 标兀器件类型兀器件规格数量C1,C2电容33p各1C3,C4电容103各1C5，C7,C9 C19电解电容10卩各1x-z j jC6,C8,C12,C18电容0.1各1C10,C11电解电容4.7 1各1C13,C14,C16电容0.011 1各1C15电容0.0033 11C17电容1000 p1C20电容100 p1C21电容0.1 p1C22电解电容30卩1R1,R2,R5,R6电阻1K各1R3电阻100K1R4电阻51K1R7电阻丝1K1NPN三极管1MOS场效应管1CRYSTAL晶振2.4576MHz1CRYSTAL1晶振12MHz1
