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1、毕业论文(设计) 题 目 基于单片机和K型热电偶的温度测量系统 学生姓名 陆琪 学 号 20102305048 院 系 电子工程系专 业 电子信息工程指导教师 徐伟二一四年五月十五日目 录1引言51.1研究目的与意义51.2研究发展与现状51.2.1发展状况51.2.2国内外研究71.3本课题的研究内容71.3.1设计原理71.3.2设计要求82方案对比与论证82.1方案选择82.2方案系统框图83系统电路硬件设计93.1电源指示电路93.2温度传感器电路103.2.1热电偶的选择103.2.2数字转换器MAX6675113.2.3温度传感器电路的设计133.3单片机最小系统电路143.3.1
2、单片机的选择143.3.2单片机主控制电路的设计163.4MAX3232串口电路183.4.1MAX232芯片183.4.2MAX3232芯片193.4.3MAX3232串口电路的设计193.5LCD液晶显示电路203.5.1液晶显示技术203.5.21602LCD液晶显示模块213.5.3LCD液晶显示电路的设计224系统软件设计234.1软件介绍234.2主程序244.3温度读取、控制、转换程序264.4LCD液晶显示子程序295系统性能测试34参考文献35基于单片机和K型热电偶的温度测量系统陆琪南京信息工程大学滨江学院电子信息工程专业，南京 210044摘要：目前接触式测温中应用最广的热
3、电式传感器是热电偶传感器，在工业测温中占有不可取代的地位。本文选用K型热电偶设计了一个测温系统。系统由温度采集模块、主控制模块、下载模块和LCD液晶显示模块组成，以AT89S52单片机为主控制器，由K型镍铬-镍硅热电偶测量工作端温度T，测量范围在01200之间，分辨率为0.25。采用MAX6675测量冷端温度T0，并对测温热电偶的热电势及测得的补偿电势进行采样，存放在单片机内存单元中，经程序解算后得到温度值，通过LCD液晶显示。该系统对温度测量具有较高的精度，测量范围广，系统轻便，在工业测温中具有一定的应用价值。关键词：K型热电偶 ；单片机AT89S52；MAX6675；工业测温1 引言1.1
4、 研究目的与意义物体的冷热水平可以通过温度来衡量，从分子水平看，又可以表示物体分子运动状态，温度越高，分子运动越猛烈。物体温度改变后显示出的一些特点只可以由温度间接测量。最基本的环境方法温度，对周边环境会产生重要影响、和人们的衣食住行、农业生产等方面密不可分。温度的测量在工业、农业生产中必不可少，在工业生产中甚至需要时刻观察温度的变化。所以通过对温度的测量和测温设备的研究具有非比寻常的意义。在社会生产力的不断提高下，对温度测量系统收集的温度数据方法要求越来越高，已经渗透到社会方方面面。温度的测量主要应用于工业、农业这两大领域。在这两大领域中，无论是机械的正常运转还是农作物的蓬勃生长，都离不开温
5、度的测量。在工业生产中，由于生产环境的限制，员工不可长时间停留观察设备运行正常或因为其他原因不能在现场。这是找到最佳的方式收集数据的迫切需要，将数据发送到一个比较好操作的控制室，便于工作人员对数据的分析与处理；在农业生产上，对温室大棚的温度监测，以前都是选择分区取样的人工处理方式，工作辛苦，精确度不高。而且在实际操作中，因为大棚的诸多环境限制因素，例如占地面积广、测量点分散而且数目多，所以这种测量方式已经被淘汰。当前的科技水平下，为了取得更大的效益促使我们必须找到一种精确、简便易行的温度采集测量方法。在科学技术的不断发展下，现代社会对各种参数：准确度和精密度的要求有一个几何增长。在以此基础上，
6、如何快速、准确获取这些参数需要依靠现代信息的发展水平。传感器技术、通信技术、计算机结构技术并称当代三大信息采集技术，而这之中传感器技术遥遥领先其他两种技术，特别是传感器技术中对于温度的测量。所以研究温度的收集方式和设备这一课题是相关领域国内外研究者的重要课题之一。对于本课题而言，基于测温线的温度测量系统可以较为简洁方便的测量出温度。1.2 研究发展与现状1.2.1 发展状况从人类对温度有了认识之后，许多科学家一直致力于研究温度的测量方法。广义上说，温度的测量主要方式分为两种：接触式测温以及非接触式测温。通过需要测温的物体和测温设备之间的直接接触，以热交换的方式，最终可以达到热平衡的，这样的方式
7、称为接触式测温。显然这种最原始的接触测温方法可以最简单的测出温度，但是这样的误差比较大，只能用于一般生活中简单的温度测量。如果是在高温或者腐蚀环境下测温，这种特殊环境会对测温元器件产生不利影响。然而另一种测温方法非接触式测温可以避免这一问题。用这种方法制成的测温计可以用于农业中土壤的测温、工业中高温运转的机械等领域。随着工业进程的不断发展，温度检测技术也随之日益成熟。当前使用的温度测量方式五花八门，使用局限性也越来越小，应用十分宽泛。大致有下列几种办法可以检测：一、利用热胀冷缩原理热膨胀和冷收缩制成的温度计是生活中最常用的，如：汞，压力，双金属温度计等。这类温度计常被用于测量一些温度范围较小的
8、中低温度，被广泛适用于一般医疗体温测量、农业温度监测、纺织食品制造等。二、利用热电效应技术热电偶所具备的热电效应是这类测温元件的核心技术。在早期发展过程中，热电偶发展不断完善，发展已相对成熟，是到目前为止最广泛使用的组件。因为采用接触式测温的方法，不会因为中间介质而影响过程，精确度相对而言比较高。其次一般而言，热电偶可连续测量从零下50到600的温度范围，某些特殊热电偶测量的温度可以很高，例如金铁镍铬热电偶极限检测最低温度可以接近绝对零度，达到零下269；例如钨、铼热电偶极限最高温度达到2800。同时构造简单，使用方便。热电偶一般可以是两种不同的金属丝构成，并且没有大小和开头的约束，外面还有一
9、层套管起到保护作用，操作方便，简单易懂。三、利用热阻效应技术随着温度的升高，导体或半导体的阻值会相应减小或增大。根据这一特性热阻效应技术可以测量出温度及与温度相关的数据，例如电压、电流等。依据电阻根据温度变化的性质原理，电阻阻值的大小可以用专用测量仪表测出，从而间接测出温度的大小。热电阻大多数的原材料是纯金属，材料中最常见的是使用铂和铜来制造热电偶。现在开始逐步采用新型材料制造热电阻，例如镍、锰和铑等。四、利用热辐射原理热辐射原理主要由四部分组成：斯蒂藩定律、黑体辐射分布定律、维恩位移定律、基尔霍夫辐射定律。同时在向外辐射的物体，也能从其他对象那里吸收辐射能。物体辐射或吸收的能量与它的温度等因
10、素有关。然而，在热平衡的条件下，辐射体的光谱辐射出射度、光谱吸收率仅仅是一个关于辐射波长和温度的函数关系，与辐射体本身的物理性质没有任何关联。因此，根据热辐射测温原理来测量温度，分为单色辐射高温计，总辐射高温计。五、利用声学原理声学检测、传感器技术的结合是一门新兴的学科，是一个全新的领域。这个领域包含了声学原理、信息处理、电子信息技术等，这些部分息息相关、密切结合，在温度检测领域中属于后起之秀，并迅速崛起。基本原则是声学测温的声传感器的声传播时间与测量的温度相乘重建最小二乘法原理。目前，该技术可用于测量高温炉和储粮霉变，虫害发生情况与水分异常变化，这些变化将直接反映在粮温变化。六、利用红外测温
11、技术物体的温度只要是在高于零下273.15，是由于分子的运动和向外辐射的红外线。把辐射物体功率信号输入捕捉器，输出电信号，然后依据输出电信号与被测物表面温度的空间分布关系，在显示仪器上就可以得到一张相对应的热像图。利用这一原理，可以红外测温仪对测温物体进行远距离测温成像。这一技术更多的用于对野生动物的观测分析。将红外测温仪进行伪装，安装在野生动物的栖息地附近，根据测温数据分析判断野生动物的生活习性。近年来，在技术开发和温度检测中的应用领域，各种新的检测原理和技术，已经取得了重大进展。一种新的温度检测元件正在悄然新兴，并在市场的发展中更新换代，自我完善。1.2.2 国内外研究目前，对研究对象的温
12、度检测，温度范围有了较大的发展。在现有工业通用的温度检测限度基础上，今后对于温度的测量极限将会向超高温和超低温发展，不断扩大现有的测温范围：零下2003000。特别是超低温度检测液化气是越来越迫切。同时在温度检测对象上从以往单一的点测温发展到线、面的全多方位、立体化的测量。应用范围也已经延伸到环境监测、生态保护、汽车制造及宇宙航天等领域。在许多特殊场合中，对温度检测器有特殊要求，如抗压、防爆破、防腐蚀等；又如野生动物的观察分析、户外野战测温、炉膛火焰温度检测等。国内外许多温度仪表制造商将向数字化，智能化，集成，应用开发。不仅新产品具有检测功能，而且具有判决及命令等功能，采用微电脑朝着智能化的方
13、向发展，为机电一体化的发展方向，加强新技术，开发新材料。同时，保持经典温度传感器的生产，大量和广泛的继承传统检测技术中的优势，如原来的传统生产：热电偶，热电阻，热敏电阻等。1.3 本课题的研究内容1.3.1 设计原理本课题主要是基于测温线的温度测量系统，该测温系统主要是四部分模块构成：温度测量采集模块、单片机控制模块、串口下载模块和LCD温度显示模块。本研究课题主要对温度检测中的应用，对被测物体温度的测量是热电技术的主要应用层面。制作出的温度测量系统测量的温度范围可以从零下100至200，最大允许误差为0.1。该测量系统可以满足于一般的工业生产和农业生产需求，具有精确度高、结构简单、实用性强、
14、操作简单等特点。热电偶是具备热电效应技术的同类型中的最佳元器件。在早期发展过程中，热电偶发展不断完善，发展已相对成熟，是到目前为止最广泛使用的组件。热电偶制作简单、结构明了、温度范围宽、精度比较高、热惯性小，因此它成为测温元件中使用的首选。1.3.2 设计要求1、分析K型测温线的温度和输出电信号的关系，测量电信号，根据关系计算温度；2、测量温度范围为零下100200，最大允许误差为0.1。3、根据测温线输出电信号范围，选择合适的信号调理电路，以单片机为主控制器，采用LCD显示温度值。2 方案对比与论证2.1 方案选择方案一：温度采集模块的设计中，温度传感装置可以使用热敏电阻之类的组件，温度传感
15、装置测量的温度可以根据在测量温度时的电压或电流变化中收集有关数据，经过信号调节电路、A/D转换电路的处理，将数据传送到主控制器处理，最后在液晶模块显示出温度，温度的检测可以通过以上的流程测出。然而，这样的设计需要用放大电路，A/D转换电路，温度检测电路，在生产工程设计过程中，花费太多，给调试带来太多的麻烦。方案二：本方案采用的温度采集模块中，主要选用K型热电偶以及数字转换器MAX6675完成。通过对温度的采集，将数据发送到数据处理的单片机AT89S52，通过串口下载，并在液晶LCD1602显示实时温度。在这个方案过程中，主要运用到了K型热电偶以及数字转换器MAX6675作为温度采集模块的主要组成。K型热电偶测量范围宽，价格便宜，性能稳定，被广泛适用于工业温度测量
