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1、传感器及应用系统课程设计说明书热电偶测温系统设计摘要：热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有及其重要的地位。该测温系统由温度测量电路、运算放大电路、A/D转换电路及显示电路组成，以AT89C2051单片机为主控单元，由K型镍铬-镍硅热电偶测量热端温度T，测量范围在01200之间，由集成温度传感器AD590测量冷端温度T0，并对测温热电偶的热电势及AD590测得的补偿电势进行采样，送入A/D转换器转换成数字量，存放在单片机内存单元中，经程序解算后得到温度值，转换为BCD码，同时驱动四位数码管显示。试验结果显示，该系统对温度测量具有较高的精度，实现了温度测量
2、功能，其主要技术指标达到了系统设计要求。关键词：热电偶 ；温度 ；A/D；单片机 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求
3、提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作
4、者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录1. 热电偶测温原理及系统框图11.1 热电偶测温原理11.1.1 热电偶工作原理11.1.2 热电偶的基本定律21.2 方案选择及系统框图32. 热电偶测温系统硬件电路设计52.1 温度测量及放大电路52.2 冷端温度补偿电路82.3 A/D转换电路92.4
5、 单片机控制的显示电路113. 热电偶测量温度系统软件设计153.1 软件总体流程设计153.2 系统软件实现原理153.3 系统程序构建154. 体会和总结165. 元器件清单18参考文献18附 录191.热电偶测温原理及系统框图1.1 热电偶测温原理1.1.1 热电偶工作原理热电偶的基本工作原理是热电动势效应。1823年塞贝克发现，将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶，见图1-1），若两接触点温度（T，T0）不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB（T，
6、T0）表示。两种不同的导体A和B称热电极，测量温度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一接点置于某一恒定温度（T0）的地方，称参考端或自由端、冷端。T与T0的温差愈大，热电偶的热电势也愈大，因此，可以用热电势的大小衡量温度的大小。图1-1 热电效应当热电偶两电极的材料不同，且A、B固定后，热电偶的热电势EAB（T，T0）便成为两端温度T和T0的函数，即：EAB（T，T0）= E（T）E（T0） （1-1）也就是说，热电偶的热电势等于热端与冷端温度T和T0所引起的电势差。当T0保持不变，即E（T0）为常数时，则热电势EAB（T，T0）便为热电偶热端
7、温度T的函数EAB（T，T0）= E（T）C=（T） （1-2）由此可知，EAB（T，T0）与T有单值对应关系，这就是热电偶测温的基本公式。1.1.2 热电偶的基本定律1. 均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其热电势的大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。如果热电极材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加电势，造成无法估计的测量误差，因此，要求热电极材质均匀，克服因热电极各处温度不同而造成的附加误差，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。2中间导体定律 对于热电偶回路中热电势的大小，必须将其断开，接入仪表才能测出其热电势
8、值。所接入的仪表是另一种材质C所构成的导体，如图1-2所示。闭合回路中出现了除A、B电极以外的第三种导体C之后，回路总的电动势会有什么变化呢？根据热电偶中间导体定律可知，只要第三种导体C的两端温度相等且均质，就对热电势在EAB（T，T0）的大小毫无影响。既然如此，把冷端焊点打开，接入仪表，并保持其两端温度都在冷端温度T0之下，就能测出总热电势。回路中还可接入更多的导体材料，只要它们两端温度相等且材质均匀，便对热电势无影响。图1-2 中间导体定律3. 中间温度定律 热电偶在接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn时的热电势和Tn、T0时相应热电势的代数和，即 EAB（T，T0
9、）= EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0） （1-3）若T0=0，则有EAB（T，0）= EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0） （1-4）4标准（参考）电极定律如果两种导体（A、B）分别与第三种导体C组合成热电偶的热电势已知，则由这两种导体（A、B）组成的热电偶的热电势也就已知，这就是标准电极定律或参考电极定律，即EAB（T，T0）= EAC（T，T0）EBC（T，T0） (1-5)根据标准电极定律，可以方便地选取一种或几种热电极作为标准（参考）电极，确定各种材料的热电性质，从而大大简化热电偶的选配工作。一般选取纯度高的铂丝作为标准电极，确定出其他各种电极对铂电极的热电特性，便可知这些电
10、极相互组成热电偶的热电势的大小。1.2 方案选择及系统框图方案一：如图1-3所示，此方案由测温电路、电压放大电路、A/D转换电路及LCD显示电路组成。利用电桥电路进行冷端补偿，使得整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。将初级处理好的信号送入运算放大器，通过LM324对输入信号进行模拟放大，再送入下一级电路，由ICL7107完成模数转换，并驱动LCD显示温度值。图1-3 方案一的系统框图方案二：如图1-4所示。此方案采用AT89C2051单片机系统为核心开发热电偶测温系统。图1-4 方案二的系统框图系统由四大部分组成：（1）温度测量电路及放大电路；（2）冷端温度补偿
11、电路；（3）A/D转换电路；（4）AT89C2051驱动的LED显示电路。对系统框图的说明如下：热电偶选用的是K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶），测温范围选用01200度，利用集成温度传感器AD590进行冷端补偿，放大电路选用自动调零放大电路，A/D转换器选用TLC0832，单片机选用AT89C2051，并扩4个74LS164，连接4个LED数码管。集成温度传感器AD590测量冷端温度T0，其输出电流与绝对温度成正比（1A /K）,它相当于一个温度系数为1A /K的高阻恒流源。将输出电流通过电阻及放大器转换成电压信号，送入A/D转换器转换为数字量，存放在内存单元中，完成了对补偿电势的采样。由K型镍
12、铬-镍硅热电偶测量热端温度T，经放大器放大，再由A/D转化器转换成数字信号，单片机将该信号与内存中的补偿电势相加，得到真实的热电势值，并编程实现计算温度值，转换为BCD码，利用单片机串口工作方式0（同步移位寄存器方式，多用于串并转换）外扩四个74LS164及LED数码管，显示被测温度。方案一中利用三位半A/D转换器ICL7106完成模数转换，驱动LCD显示器，其显示位数和精度都受到限制，而方案二利用AT89C2051对A/D转换结果进行处理，不仅显示的位数和精度没有限制，而且用单片机控制可方便地通过键盘实现温度上下限报警等其它扩展功能，通过编程实现线性补偿，有利于后续电路系统的扩展和运用。故本
13、课程设计采用方案二。2. 热电偶测温系统硬件电路设计2.1 温度测量及放大电路热电偶是工业上广泛使用的温度传感器，它最大的优势就在于温度测量范围极宽，理论上从-270的极低温度到2800的超高温度都可以测量，并且实际应用中在600-2000的温度范围内可以进行最精确的温度测量。在化工、石油、电力、冶炼等行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监控作用。从理论上讲，任何两种不同导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，作为实用测温元件的热电偶，对其热电极材料的基本要求是：(1) 测温中产生的热电势要足够大，测温范围宽，线
14、性好；(2) 在测温范围内，热电性质稳定，理化性能稳定，不易氧化或腐蚀；(3) 电阻温度系数小，电阻率小；(4) 材料复制性好，制造工艺简单，价格便宜。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为国内统一设计型热电偶。型号如下： (1)（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶(2)（B
15、型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶(3)（E型热电偶）镍铬-铜镍热电偶(4)（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶(5)（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶(6)（J型热电偶）铁-铜镍热电偶(7)（T型热电偶）铜-铜镍热电偶本系统设计选用K型（镍铬-镍硅）热电偶，此热电偶是目前用量最大的廉价金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。型热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金。可测量01300的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200，长期使用温度为1000。其主要特点如下：(1) K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。(2) K型热
