气象课程热电偶测温设计.doc

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1、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89C51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，实现了温度测量功能，其主要技术指标达到了系统设计要

2、求。关键词：热电偶 ；温度 ；A/D；单片机 1.热电偶测温原理及系统框图1.1 热电偶测温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，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

3、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。1.2系统框图如图1-2所示。此方案采用89

4、C51单片机系统为核心开发热电偶测温系统。I/VAD590K型热电偶 放大 A/D 转换 (TLC 0832) 单片机89C51 显示电路 T0T图1-2 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）冷端温度补偿电路；（3）A/D转换电路；（4）89C51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89C51，并扩4个74LS164，连接4个LED数码管。集成温度传感器AD590测量

5、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，利用单片机驱动四个74LS164及LED数码管，显示被测温度。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

6、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型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。为了实现温度的数字测量

7、和显示，或组成温度的巡检系统，或向计算机过程控制系统提供温度信号，都要对热电偶的热电势进行数字化处理。所以在采用热电偶的温度数字测量系统中，最基本的环节是热电偶和A/D转换器。使用时必须注意：（1）热电偶输出的热电势信号一般都很小（mV数量级），在进行A/D转换之前，必须经过高增益的直流放大。（2）热电偶的热电特性，一般来讲都是非线性的。欲使显示数和输出脉冲数与被测温度直接相对应，必须采用线性化措施进行非线性校正。可采用硬件校正法或软件校正法。在带有计算机或微处理器的测量系统中，非线性校正（和冷端补偿）工作，都直接由计算机完成，即所谓“软件校正法”。所谓“硬件校正法”即采用的是非线性校正装置。

8、由此可见，放大电路的必要性，此系统中温度测量及放大电路如图2-1所示，电路中A1、A2、A3运放组成同相输入并串差动放大器（仪用放大器），放大倍数为 （2-1）其中，适当调整Rp2 ,可使放大倍数Au=100。图2-1 温度测量及放大电路2.2 冷端温度补偿电路根据国际温标规定，热电偶的分度表是以To=0oC作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，自由端温度To 往往不能维持在0oC，那么工作温度为T时在分度表中所对应的热电势EAB(T，0)与热电偶实际输出的电势值EAB(T，T0)之间的误差为EAB(T，0)- EAB(T，T0) = EAB(T0，0)。由此可见，差值EAB(T0，0)是自

9、由端温度To 的函数，因此需要对热电偶自由端温度进行处理。而且在工程测温中，冷端温度常随环境温度的变化而变化，将引入测量误差，故对冷端进行处理和补偿十分必要。冷端温度补偿有多种方法，如0恒温法（冰点槽法）、冷端温度修正法及冷端温度自动补偿法、AD590冷端温度补偿法等，该系统设计利用集成温度传感器AD590作为冷端补偿元件。如图2-2所示。AD590的主要特点：(1)线性电流输出：1A/K，正比于绝对温度；(2)测量温度范围宽：-55+150；(3)精度高：激光校准精度到5（AD590M）；(4)线性好：满量程范围0.3（AD590M）；(5)电压电源范围宽：+4+30V。图中，AD590只需

10、单电源工作，抗干扰能力强，要求的功率很低。AD590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。因此在室温25时，其输出电流I=（273+25）=298A,即输出电流为 (2-2)又因为R9=10K,故 (2-3)由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，将输出电压U2调整至2.73V 。放大器输出电压Uo为 (2-4)如果现在为摄氏28，则输出电压为2.8V，输出电压（CH0）接A/D转换器的输入通道，那么A/D转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系，方便后续的计算与处理。 图2-2 冷

11、端补偿电路2.3 A/D转换电路TLC0832是美国德州仪器公司生产的8位串行模数转换器，有两个可多路选择的输入通道，与单片机或控制器通过三线接口连线，性能比较高。TLC0832芯片具有以下特点：（1）8位分辨率；（2）5V单电源供电，基准电压为5V；（3）输入模拟信号电压范围为05V；（4）输入和输出电平与TTL和COMS兼容；（5）可直接和微处理器接口或独立使用；（6）在串行时钟为250KHz时，转换时间为32s，总非调整误差为1LSB，使用十分方便；（7）有两个可多路选择的模拟输入通道。TLC0832DIP封装的引脚分配图如下图2-3所示：图2-3 TLC0832DIP封装的引脚分配图各

12、引脚说明如下：为片选端，低电平有效；CH0，CH1为模拟信号输入端；DI为多路器地址选择输入端；DO为模数转换结果串行输出端；CLK为串行时钟输入端；GND为电源地；VCC/REF为正电源端和基准电压输入端。当为低电平时，启动A/D转换，在整个转换过程中必须始终为低电平，连续输入10个脉冲完成一次转换，数据从第2个时钟开始输出。转换结束后应将置为高电平，当重新拉低时将开始新的一次转换。TLC0832通过串行接口与CPU相连来传送控制命令，可用软件对通道和输入端进行选择和配置。转换开始后，器件从CPU接收时钟，在一个时钟的时间间隔前导下，以保证输入多路器稳定。在转换过程中，转换的数据同时从DO端

13、输出，并以最高位（MSB）开头。在经过8个时钟后，转换完成，当变高时，内部所有寄存器清零，此时，输出电路变为高阻态。DI和DO端可以连在一起，通过一根线连到处理器的一个双向I/O口进行控制。TLC0832的地址是通过DI端移入来选择模拟输入通道，同时也决定输入是单端还是差分输入。在本设计中，TLC0832的连接电路如图2-4所示，P1.2连接端，由P1.1提供串行时钟，DO和DI由P1.0控制，CH0为与AD590测得的温度成比例的电压信号，CH1为与热电偶测得的电势成比例的电压信号。/CS1CH02CH13GND4DI5DO6CLK7VCC/REF8U9TLC0832CH0CH1+5VGND

14、P1.2P1.1P1.0图2-4 TLC0832部分电路2.4.1单片机选择及部分功能简介MCU是整个系统的控制核心，由于温度测量系统的接口方便，综合考虑整个系统，选用美国ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，其外观引脚图如下：图2-5AT89C51外观

15、引脚图AT89C51提供以下标准功能：4k字节的flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式、空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/技术器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。AT89C51共有4个双向的8位并行I/O端口，分别为P0P3，共有32根口线，端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。P0P3的端口

16、寄存器属于特殊功能寄存器系列。这四个端口除了可以按字节寻址外还可以位寻址。其中P0口为漏极开路作为输出使用时应外加上拉电阻，P3口既可以做为普通I/O口使用，还可以作为特定的功能引脚。虽然51单片机只有一个串口接口，但其I/O口既可以用字节寻址也可以位寻址，这样在实际应用中，我们就可以通过模拟不同总线的时序特征来实现各种数据的传输。AT89C51单片机内部有一个功能强大的全双工的一部通信串口。其串行口有四种工作方式：分别为同步通信方式、8位异步收发、9位异步收发（特定波特率）、9位异步收发（定时器控制波特率）。它有两个物理上独立接收发送缓冲器SBUF，可同时发送、接收数据。波特率可由软件设置片

17、内的定时器来控制，而且每当串行口接收或发送1B完毕，均可发出中断请求。2.4.2AT89C51单片机的SPI实现对于不带SPI串行总线接口的AT89C51单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P1.1（模拟MCU的SCK线）的初始状态设置为1，而在允许接口后再置P1.1为0。这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至MCU的P1.3口（模拟MCU的MISO线），此后再置P1

18、.1为1，使单片机从P1.0（模拟MCU的MOSI线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P1.1为0，模拟下1位数据的输入输出，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P1.1为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位据(MCU发送1位数据)，从而完成1位数据的传送。2.5 单片机控制的显示电路本设计使用的是一个四位共阳数码管，采用动态显示方式。当89C51单

19、片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接74LS245等总线驱动器。其电路如图3-16所示。其中74LS245的片选跟三态控制引脚接地，数据由单片机向数码管传输。数码管的位的选择通过8550三级管进行控制，三级管基极通过限流电阻跟单片机的I/O口相连接，当端口为高电平时，三极管截止，当给端口为低电平时三极管导通，数码管相应的位被选中。这样可方便地对数码管每一位进行单独控制。R3-R10为限流电阻取值170500现取240。为保证三极管可靠开通关断，且要求数码管的亮度适量较高，基极电阻 R11-R14 可适量取小值，本设计取基极电阻为470。图2-6数码管显示电路74LS245是

20、我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。其引脚图如下：图2-7 74LS245引脚功能图74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。当片选端E低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当E为高电平时，A、B均为高阻态。由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端

21、相连,E端接地，保证数据线畅通。89C51的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P0.1D1），其它时间处于输出（P0.1D1）。3. 热电偶测量温度系统软件设计3.1 软件总体流程设计软件设计采用单片机的C语言或汇编语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。3.2 系统软件实现原理按照本系统的测温需要，需要得到热电偶测得的热电势和AD590测得的冷端温度进行计算以得到热电偶热端温度。AD590测得的冷端温度转换为与温度成正比的电压信号，并进行A/D转换，得到的数

22、字信号，送入单片机，由单片机计算其温度，并查K型热电偶的分度表，得到冷端温度对应的热电势（EAB(T0，0)）,即补偿电势，存入内存中。热电偶测得的热电势通过放大电路进行放大，进入A/D转换器变为数字信号，采样结果通过P1.0引脚送入单片机内部，由单片机计算出原始的热电势（EAB(T，T0)），并与内存中的补偿电势相加，即得到真实的热电势值（EAB(T，0)），查K型热电偶的分度表，得到被测温度值，转换为BCD码，并通过串口将数据发送出去，驱动数码管显示正确温度值。3.3 系统程序构建热电偶测温系统软件部分采用模块化设计思想，将系统分为主程序、初始化处理模块、A/D转换模块、温度处理模块、显示模块，其软件系统的主程序实现流程如图3-1所示。图3-1