基于热电偶的冷端数字化补偿的设计

本科毕业设计（论文）基于温度的热电偶冷端数字化补偿的设计本科毕业设计（论文）基于温度的热电偶冷端数字化补偿的设计燕山大学毕业设计论文任务书学院电气工程学院系级教学单位仪器科学与工程系学号学生姓名专业班级检测2班题目名称基于温度的热电偶冷端数字化补偿的设计题目性质1理工类工程设计（）；工程技术实验研究型（）；理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）。2文管类（）；3外语类（）；4艺术类（）。题目类型1毕业设计（）2论文（）题目题目来源科研课题（）生产实际（）自选题目（）主要内容温度测量是工业生产过程中最常见的物理量之一，热电偶是较为常用的测量元件之一。1、了解热电偶线性化处理、冷端补偿的一般方法2、设计数字化线性处理方法和冷端补偿方法3、设计适用于多种分度号热电偶的处理方案4、设计单片机系统实现数字化处理功能基本要求1、着重解决热电偶信号的放大、冷端补偿、线性化等问题2、以单片机作为测量核心完成设计，进行软硬件调试3、提交完整的设计图纸，提交设计说明书一份4、按指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。参考资料1、张海涛热电偶冷端补偿改进研究仪表技术与传感器，2011,VOL72、瞿江峰一种基于热电偶的温度测量的线性拟合方法中国西部科技,2010,VOL26周次14周58周912周1316周1718周应完成的内容收集资料，确定总体方案，确定信号处理、线性化等关键问题的解决方案信号电路的设计单片机处理系统设计软件设计及调试设计总结，撰写论文指导教师职称教授系级教学单位审批年月日摘要热电偶传感器是目前应用最广泛的测温传感器之一，有温度测量的“常规武器”之称。在工业生产中应用及其广泛，而作为检测技术和仪器仪表最主要的测量工具，热电偶的精确与否显得越发重要。根据热电偶测温的原理可以得知，只有其冷端温度保持恒定时，测得的热电势才是被测温度的单值函数，而冷端温度通常置于外界环境中很难保持恒定，因此要对热电偶进行冷端补偿。同时，热电偶随着温度的变化而进行非线性变化，因此要对热电偶进行线性化。本文介绍了热电偶工作的一般原理和其冷端补偿的原理，着重介绍了几种常用的冷端补偿的方法和DHT11数字式温湿度传感器的工作原理，提出了用DHT11解决冷端补偿和用查表来解决热电偶线性化的方法，提高了测量的精度，简化了补偿电路。关键词热电偶；冷端补偿；线性化；DHT11；温度测量ABSTRACTTHERMOCOUPLESENSORISONEOFTHEMOSTWIDELYUSEDTEMPERATURESENSORCURRENTLY,WHICHKNOWNASTHETEMPERATUREMEASUREMENT“CONVENTIONALWEAPONS”ITSAPPLICATIONSINTHEINDUSTRIALPRODUCTIONISVERYWIDE,ANDASTHEMAINDETECTIONTECHNIQUEANDINSTRUMENTATIONMEASUREMENTTOOLS,THERMOCOUPLESPRECISIONISBECOMINGMOREANDMOREIMPORTANTACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFTHERMOCOUPLE,WECANKNOWTHATONLYITSCOLDJUNCTIONTEMPERATUREISKEPTCONSTANT,THEMEASUREDTHERMOELECTRICPOWERISASINGLEVALUEDFUNCTIONOFTHEMEASUREDTEMPERATURE,BUTTHECOLDJUNCTIONTEMPERATUREISUSUALLYPLACEDINTHEEXTERNALENVIRONMENT,ITISVERYDIFFICULTTOMAINTAINACONSTANT,SOWEMUSTHAVECOLDJUNCTIONCOMPENSATIONFORTHERMOCOUPLESTHISARTICLEDESCRIBESTHETHEGENERALPRINCIPLESOFTHERMOCOUPLEANDITSCOLDJUNCTIONHIGHLIGHTINGSEVERALCOMMONCOLDJUNCTIONCOMPENSATIONMETHODANDTHEPRINCIPLESOFDHT11DIGITALTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORPROPOSINGAMETHODWHICHUSINGDHT11TOSOLVECOLDJUNCTIONCOMPENSATIONIMPROVINGTHEMEASUREMENTACCURACY,SIMPLIFYINGTHECOMPENSATIONCIRCUITKEYWORDSTHERMOCOUPLECOLDJUNCTIONCOMPENSATIONLINEARIZATIONDHT11TEMPERATUREMEASUREMENT目录摘要ABSTRACT第1章绪论111课题的背景及意义112热电偶冷端补偿发展概况113本文主要研究内容2第2章热电偶工作原理与冷端补偿及线性化421热电偶的测温原理4211热电效应4212热电偶的工作定律622热电偶的类型和结构7221标准化热电偶8222非标准化热电偶9223热电偶的结构1023冷端温度补偿11231冷端补偿的原理11232传统的冷端补偿的方法1124热电偶的线性化16241线性化的原因16242线性化的方法1625本章小结19第3章基于STM8单片机的补偿方案硬件设计2031总体的系统设计2032STM8单片机简介2133热端温度测量模拟实现2534冷端温度测量电路25341DHT11工作原理25342冷端温度测量2835数码管显示系统设计29351数码管原理29352MAX7219简介3036本章小结34第4章软件设计3541A/D模拟热端信号程序设计3642冷端温度采集程序设计3643数码管显示程序设计3744本章小结38结论39参考文献40致谢42附录1开题报告附录2文献综述附录3中期报告附录4外文翻译附录5外文文献第1章绪论11课题的背景及意义科学上的重大发现，往往是由于新的观测手段的发展而获得的。从今天进入信息时代看来，仪器仪表是实现信息的获取、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具，也是新技术革命的一项重要内容。在现代化建设中，由于仪器仪表对产品质量所起到的重要的检测作用，导致了人们对其在技术上有着高层次的要求，因而仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步，提高劳动生产率和社会经济效益，开发与节约能源和材料的先导工业。温度是表征物体冷热程度的物理量，是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关，因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。热电偶传感器是目前应用最广泛的测温传感器之一，有温度测量的“常规武器”之称。其工作原理是将温度信号转换成电势信号，配以测量电势信号的仪表，便可以实现温度的测量或温度信号的变换，具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体积小和易于维护等优点。从19世纪发展至今已有一百多年的历史，现在己经被广泛应用于石油、化工、水利、航空、航天、核电等行业领域23。12热电偶冷端补偿发展概况从塞贝克发现热电效应算起，一百多年来，热电偶发展的历史大约经历了三个不同的阶段。第一阶段为早期探索阶段，时间从1821年起到第一次世界大战，经历了整整一个世纪。在此期间，由于没有理论指导和经验可循，人们对热电偶材料的研究和当年的塞贝克一样，全靠摸索，采用的方法为配对法，即将感兴趣的待试材料直接配成热电偶，实测了近300种热电偶品种；第二阶段为第一次世界大战后40年。这个阶段的特点是对材料热电特性的研究十分重视。研究方法除了配对法外，还出现了一种新方法比较法。比较法的核心是选择一种热电性能稳定，化学性能好的材料作标准电极，各种被试材料分别与标准电极组成热电偶，测定这些热电偶的热电势一温度特性曲线。二次世界大战前后，熔钢温度测定问题曾经是推动热电偶材料发展的强大动力。几十年来，对炼钢过程的精炼温度、出钢温度、浇铸温度的测定和控制技术的探求，不仅推动了对新型热电偶材料的探索，而且促使对有关热偶丝的砧污、劣化变质、高温脆性和不均匀性等问题的研究日益深入；第三阶段为60年代至今，这个时期的特点是除了对材料性能和测试方法的研究很重视外，还十分重视对热电偶回路的基本理论及其应用的研究。在研究的方法中，除了传统的配对法、比较法外，还出现了分析法。分析法是以现代热电理论非平衡态热力学、量子力学应用于热电效应的理论为指导，综合冶金、物理、化学理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设计。近40年来，在发展新型热电偶材料方面取得了不少成绩。恺装热电偶材料得到普遍推广使用，产品规格和性能试验多己标准化28。随着社会的发展，许多工业和科技部门对温度测量的精度要求越来越高，这就使得热电偶要进一步减小其误差。由热电偶的测温原理可以知道，当热电偶冷端温度为零时测出的温度才是被测的实际温度，而在现实生活当中，冷端温度往往不为零。这时就需要将热电偶冷端温度补偿到零以便提高测量精度。传统的冷端补偿方法有冰点法、恒温迁移法、补偿导线法、电桥补偿法、二端集成温度传感器法等。传统的这些补偿方法不仅成本高适用性差，而且反应慢误差大已经不能满足社会的需求。20世纪六七十年代，单片机技术飞速发展，同时也为热电偶冷端补偿提供了一种新的方法通过单片机与温度传感器实现温度的快速准确测量。这种方法有效的弥补了传统补偿方法的不足，补偿更加迅速、误差小、适用性强、成本低，由于其各种优点，到20世纪90年代通过单片机进行补偿实现热电偶的温度测量已经非常普遍的应用开来。如今的测温热电偶也向整体化、小型化、便携式发展13。13主要研究内容本论文进行热电偶冷端数字化补偿的设计主要完成以下工作（1）介绍了传统的冷端补偿的一些方法通过查阅相关文献，对传统的一些冷端补偿方法进行了总结，介绍了每种方法的工作原理。（2）基于单片机的冷端补偿系统的设计用数字式温度传感器DHT11和STM8单片机结合，根据热电偶的中间温度定律，实现冷端补偿。随着智能仪器仪表和微机控制系统的不断发展与日渐普及单片机微处理器逐渐成为温度测量的核心。并且配合各种传感器可以实现复杂多变的测量。同时用软件实现补偿成本低，不用考虑硬件的投资。在现有条件下，寻找一种成本低、硬件结构简单、程序处理方便的补偿方法。最终设计了用DHT11测温，单片机处理，最终通过查表来得到被测温度的一套系统。第2章热电偶工作原理与冷端补偿及线性化热电偶是目前工业上应用较为广泛的热电式传感器。热电偶是一种发电型的温敏元件，它将温度信号转化成电动势信号，配以测量电动势信号的仪表或变送器，便可实现温度的测量或温度信号的变换。21热电偶的测温原理211热电效应将两根性质不同的的金属丝或合金丝A与B的两个端头焊接在一起，就构成了热热电偶，如图21所示。A、B叫做热偶丝，也叫热电极。在闭合回路旁放置一个小磁针，当热电偶两端的温度时，磁针不动；当0T，磁针就发生偏转，其偏转方向和热电偶两端温度的高低及两极的0T性AB图21热电偶的热电现象质有关。上述现象说明，当热电偶两端温度时，回路中产生了电流，0T这种电流叫做热电流，其电动势称为热电动势，其物理现象称为热电效应。放置在被测介质中的热电偶的一端，称为工作端，或称测量端。热电偶一般用于测量高温，所以工作端一般置于高温介质中，因而工作端也称为热端；另一端则称为参考端，也称自由端。热电偶测温时，参考端用来接测量仪表，如图22所示，其温度通常是环境温度，它一般低于工作0T端温度，所以通常称为冷端13。（1）接触电动势各种导体中都存在有大量的自由电子，不同金属自由电子的密度是不T0T同的。设导体A、B的自由电子浓度分别为和，并且。当两种ANBABN金属接触在一起时，自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散，结果结BT0TA工作端自由端图22热电偶原理示意图点附近导体A失去电子带正电，导体B得到电子带负电而形成电位差，当电子扩散达到动态平衡时，结点的接触电动势为21LNAABBKTEE式中为波尔兹曼常数，；为结点处的绝对温度；为K23180JKTE电子电荷，1。9160EC由式（21）可以看出，当A、B材料相同时，。0ABE（2）温差电动势在一根金属导体上，如果存在温度梯度，也会产生电动势。因为温度不同自由电子的运动速度也不同。温度梯度的存在必然形成自由电子运动速度的梯度，电子从速度大的区域向速度小的区域扩散，造成电子分布不均，形成电势差，称为温差电势。设对单一金属导体A，如果两端温度不同，分别为,（），则这个电势可以有下式计算T00220,TAAED式22中,是汤姆逊系数。A对于A,B导体构成的闭合回路，总的电势将为2300,TABABTTD这个电势的大小只与热电极材料A,B和两结点温度有关，如果材料相同则只与温度有关。热电势为2400,TABABABTETED由式24可知1、如果热电偶两个电极的材料相同，则，,由此无论两ABABN端温差多大，热电偶回路中也不会产生热电势。2、如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端温度相同，即,热0T电偶闭合回路中也不产生热电势。3、如果热电偶两电极材料不同（材料分别为A，B），且如果保持不0变，即为常数，则回路热电势只是热电偶热端温度的函数。即0ET250,ABETC这表明，热电偶回路的总热电动势与热端温度有单值对应0,ABETT关系，这是热电偶测温的基本公式3。212热电偶的工作定律热电偶的工作定律是通过对热电偶的电阻、电流和电动势的关系的反复试验，在理论上深入研究论证而得出的使用规律。也是热电偶测温的依据。1导体定律由单一的均匀金属构成的热电偶闭合回路，无论冷、热端的温差多大也不会产生热电动势。这就是热电偶的均匀导体定律。（2）中间导体定律用热电偶测量温度时，回路中总要插入第三种材料C，如图23所示。假设3个结点的温度均为，回路的总热电动势为0T2600ABCABCAEETB00TCTAA0T0图23中间导体定律若A、B结点的温度为，其余结点温度为，且，则回路的总0T0热电动势为B27000,ABCABCAETET由式26得（2000,8）将式（28）代入（27）得29000,ABCABABETET由此证明，在热电偶回路中插入测量仪表或插入第三种材料，只要插入材料的两端温度相同，则插入后对回路热电动势没有影响。利用中间导体定律可以用第三种廉价导体将测量时的仪表和观测点延长至远离热端的位置，而不影响热电偶的热电动势值。（3）中间温度定律任何两种均匀材料构成的热电偶，结点温度为,时的热电动势等T0于此热电偶在结点温度为、和、的热电动势的代数和，如图24TN0所示，即21000,ABNABABNEE这就是热电偶的中间温度定律。BBB0TNTTAAA图24中间温度定律中间温度定律是制定热电偶的分度表的理论基础。热电偶分度表都是以冷端为零度时做出的。而在工程测试中，冷端往往不是摄氏零度，这时就需要根据中间温度定律对冷端进行补偿3。22热电偶的类型和结构热电偶的类型通常分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。结构也有多种。221标准化热电偶标准化热电偶具有统一的分度表，同一型号的标准化热电偶具有互换性。1975年国际电工委员会IEC向全世界各国推荐了7种标准化热电偶。（1）铂铑10铂热电偶S型热电偶这是贵金属热电偶，可用于测量高温，长时间使用可达1300，短时间使用可达1600。它的物理、化学稳定性好，能在氧化性气氛中长期使用，但不能再还原性气氛及含有金属及非金属蒸气气氛中使用，除非外面加保护套管。这种热电偶的缺点是价格昂贵，热电动势小，热电势率平均9V/,故需配灵敏度高的显示仪表。表21热电偶的温度范围及误差注表中T为被测温度的绝对值。（2）铂铑13铂热电偶R型热电偶该热电偶与S型热电偶特点相同，由于在正极铂铑合金中增加了铑的含量，它比S型热电偶的性能更加稳定，热电动势也较大。（3）铂铑30铂铑6热电偶B型热电偶这也是贵金属热电偶，使用温度比第一种更高，长期使用最高温度可达1600，短期使用可达1800。该热电偶与S型热电偶相比，提高了抗氧化能力和机械强度，热电特性更加稳定，但产生的热电动势更小。（4）镍铬镍硅镍铝热电偶K型热电偶这是一种应用非常广泛的廉价金属热电偶。长期使用最高温度可达900，短期使用可达1200。该热电偶由于在热电极中含有大量镍，故允差等级23允差值15或025T4或05016000160060017006001700允差值25或075T25或15T40120020040409002004040750允差值1或075T1或15T4075020040热电偶型号05或04T符合误差限的测温范围11或1T11000003符合误差限的测温范围B型铂铑30铂铑6T型铜康铜016000160040100040800407504035015或04T符合误差限的测温范围R型铂铑13铂S型铂铑10铂K型镍铬镍硅E型镍铬康铜J型铁康铜在高温下抗氧化及抗腐蚀能力都很强。该热电偶的热电动势率比S型热电偶大45倍，而且热电动势与温度的关系近似成一条直线。镍铬镍铝热电偶与镍铬镍硅热电偶的热电特性几乎完全一样，但镍铝合金在高温小易氧化，稳定性差，而镍硅合金在抗氧化和热电特性的稳定性方面都比镍铝合金要强，因此，我国已基本使用镍铬镍硅热电偶取代了镍铬镍铝热电偶。（5）铜康铜热电偶T型热电偶该热电极材料均匀性好，热电动势大，灵敏度高，线性好，在200300范围内，廉价金属热电偶中它的准确度最高。由于铜热电极极易被氧化，故一般在氧化性气氛中使用时不宜超过300。在低于200以下使用时线性差，灵敏度迅速下降，所以一般都用在200以上。（6）镍铬康铜热电偶E型热电偶E型热电偶的最大特点是在常用热电偶中其热电动势率最大，即灵敏度最高。在相同的温度下，其热电动势比K型热电偶几乎高一倍。该热电偶适宜在250870范围内的氧化或惰性气氛中使用。（7）铁康铜热电偶J型热电偶可用于氧化性和还原性气氛中，在高温下铁热电极极易被氧化，在具有氧化气氛中使用温度上限为750，但在还原性气氛中使用温度可达950。在低温下，铁电极极易变脆，性能不如T型热电偶15。222非标准化热电偶非标准热电偶是指没有统一分度表的热电偶，虽然在使用范围和数量上不及标准化热电偶，但在许多特殊情况下，如高温、低温、高真空、和有核辐射以及某些在线测试等，这些热电偶具有某些特别良好的性能。（1）钨铼系热电偶钨铼热电偶是目前最耐高温的金属热电偶，最高可使用到3000，是还原、真空、高温环境的主用热电偶，具有热电动势率高、灵敏度高、温度电动势线性好、热稳定性好、原材料丰富、价格便宜等特点。特别是高温耐氧化套管的开发应用，使得这种测温最高的廉价金属热电偶几乎可以覆盖所有的应用领域，在大多数场合都能取代贵金属热电偶而且价格相对很低，具有很好的市场前景。现已标准化的钨铼热电偶有W5/26、W3/25、W5/20三种分度号，均已成熟地应用于工业生产的各个领域，其中W5/26的用量相对较大。值得注意的是钨铼裸丝只能在真空、氢气、惰性气氛中使用，在300以上的氧化气氛中会迅速被氧化，须采取保护措施才能使用。分度到1600的可使用到1800，分度到2000的可使用到2300。（2）铱铑系热电偶该类热电偶适用于真空、惰性气体及为氧化性气氛中，特别是在氧化气氛中可测2000的高温。该类热电偶质地较脆。（3）镍铬金铁热电偶该热电偶是一种理想的低温热电偶，在温度为4K时也能保持大于10V/热电动势（4）自然热电偶该类热电偶系指“刀具工件”热电偶，主要用于切削温度的在线测量。在800工况时，其热电动势可达十余毫伏。（5）非金属热电偶该类热电偶已有热解石墨热电偶等多种。其测量精度可达115，在氧化气氛中可使用到1700左右。223热电偶的结构（1）普通热电偶普通热电偶由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。普通热电偶在测量时将下来端插入被测对象的内部，主要用于测量容器或管道内的气体、液体等介质的温度。（2）铠装式热电偶把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中，运用同比例压缩延伸工艺将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度，将工作端焊接密封，配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。所以又称套管式热电偶。所以又称套管式热电偶。铠装热电偶的特点为内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作的很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。（3）片状薄膜热电偶用真空蒸镀等方法将两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成片状薄膜热电偶。由于热结点极薄，因此特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时，用粘接剂将它粘接在被测物体壁面上158。23冷端温度补偿若想准确地测出实际温度，冷端补偿是必不可少的；而冷端补偿的方法也多种多样。231冷端补偿的原因热电偶热电偶输出的热电动势是两个接点温度差的函数。为了使输出的热电动势是被测温度的单一函数，通常要求冷端保持恒定。而热电偶0T分度表是以冷端等于0为条件的，因此，只有满足的条件，才能直接应用分度表。所以使用热电偶测温时，冷端若不是0，测温结果必然有误差。一般情况下，只有实验室才可能有保证0的条件。而通常的工程测温中，冷端温度大都处于室温或在一个波动的室温区，这时要测出实际温度，就必须采取修正或补偿措施。232传统冷端补偿的方法（1）冰点法这种方法是直接把热电偶的冷端直接放置在恒为0的恒温容器中，不需要考虑冷端温度补偿或修正。为了获得0的条件，需专门设置冰点容器。一般是将纯净的水和冰混合，在一个大气压下冰水共存时，其温度即为0。冰点法是一种准确度较高冷端处理方法，但使用起来比较麻烦，需要保持冰水两相共存，故仅适用于实验室5。（2）温度修正法在实际使用中，热电偶冷端保持0很不方便，但总可以保持在某一不变的温度下，此时可以采用冷端温度修正方法。根据中间温度定律，有00,ABABNABNETTE由上式可知，当冷端温度不是0，二是时，热电偶输出的热电动势为，而不是，故不能直接查分度表。还须加上，,ABNET,0,ABNET才可以用分度表由差得被测温度的正确值1。0AB（3）补偿导线法实际应用中，为保持热电偶冷端温度的稳定，减小冷端温度变化产0T生的误差，需要将热电偶的冷端延伸到数十米外的仪器或控制器中。根据中间导体定律，可以用第三种廉价导体将测量时的仪表和观测点延长至远离热端的位置，而不影响热电偶的热电动势。这种补偿导线应选用直径大、导热系数大的材料制作，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料，同时，补偿导线的热电性能还应与电极丝匹配。热电偶补偿导线只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到远离热端的控制室的仪表端子上，以保持热电偶冷端温度的稳定的作用。它本身并0T不能消除冷端温度0时对温度的影响，不起冷端补偿的作用16T补偿导线从原理上可分为延长型和补偿型。延长型的补偿导线其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶相同，因而热电动势也相同，在型号中以“X”表示；补偿型的补偿导线其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但在其工作温度范围内，热电动势与所匹配的热电偶的热电动势标称值相近，在型号中也“C”表示。按补偿精度分，补偿导线可分为普通级和精密级。精密级补偿后的误差大体上只有普通级的一半，通常用在测量精度要求高的地方。如S、R分度号的补偿导线，精密级的允差为25，普通级的允差为5；K、N分度号的补偿导线，精密级的允差为15，普通级的允差为25。在型号中普通级的不标，精密级的加“S”表示。按工作温度分，补偿导线可分为一般用和耐热用两种。一般用补偿导线的工作温度为0100；耐热用的补偿导线的工作温度为02001。各种分度号的补偿导线只能与相同分度号的热电偶配用，否则可能欠补偿或过补偿。当用K分度号的补偿导线配用N分度号的热电偶，将造成过补偿，显示温度偏高；反之，用N分度号的补偿导线配用K分度号的热电偶，将造成欠补偿，显示温度偏低。最可靠、最常用的方法判断方法是测试法，就是将补偿导线的两端剥去绝缘层，把两根导线绞合在一起制成热电偶的热端，放到沸水中，两根导线的另一端与直流电位计相连，将测得的热电动势与其补偿的热电动势值相比较，与之最接近的即为补偿导线的分度号，根据电位差计的正负极可确定补偿导线的极性113。（4）补偿系数数修正法1利用中间温度定律可以求出的热电动势。该法较精确但繁琐。0T因此，工程上常用补偿系数修正法实现补偿。设冷端温度为，此时测得0T的温度为，其实际温度应为1T21110K式中为修正系数。的取值如表22所示。KK表22几种常用热电偶的修正系数值表K铜康铜镍铬康铜铁康铜镍铬镍硅铂铑铂0001001001001001002000100100100100100100000860901001000822000007708309910007230000070081099098069400000680830980980665000006507910210006360000078100096062700000800911000608000008008210005990000084100056100000107055110000111053120000052130000052140000052150000052160000052工作端温度T/热电偶种类（5）补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值。补偿电桥原理图如图25所示。补偿电桥桥臂电阻、和与热电偶冷端处于相同的环境温1R23CU度下。其中，都是锰铜线绕电阻，电阻温度系数很小。是123CUR铜导线绕制的补偿电阻。E为桥路电源，是限流电阻，其阻值取决于热SR电偶材料。使用时，选择的阻值使桥路在某一温度时处于平衡状态，此时电CUR桥输出为。当冷端温度升高时，随着增大，也随着增大，而0ABUCUABU热电势却随着冷端温度升高而减小。如果的增加量等于的减小ABEABABE量，那么的大小就不随冷端温度而变化。ABAB图25补偿电桥原理图设计时，在0下使补偿电桥平衡，此时，123CUR0ABU电桥对仪表读数无影响，并在040或2020的范围内起补偿作用。同时，桥臂必须和热电偶的冷端靠近，使之处于同一温度下，不同材CUR质的热电偶所配的冷端补偿电路中的限流电阻不一样，互换时必须重新调SR整。补偿电桥法是利用不平衡引起的热电势的变化值。恰当地选择桥臂电AB0TT,TEABBACDABU1R2R3RCUR0TMVU阻可以使不平衡电压正好补偿冷端温度变化引起的热电势的变化。只须保证总电压不受温度影响，就完成了温度的补偿。这种方法结构简单、成本低、适用于环境温度在2580的范围内。如表23所示为几种冷端补偿方法的比较15。表23几种冷端补偿方法的比较24热电偶的线性化241线性化的原因在理想的情况下热电偶的热电势才是被测温度的单值函数。实际上，热电偶温度信号非线性是比较大的，温度从0升高到1800，热电势从0MV变化到13585MV，每100热电势增加最大值约为最小值的8倍。其他热电偶都存在类似的问题，所以要使测得的温度准确，必须对热电偶进行线性化。测试方法测试原理优缺点将冰水混合物置于保温容器简单易用，精度冰点法强制使冷端保持0高，易受外界影响，适于实验室简单易懂，适用温度补偿法热电偶的中间温度定律性强，误差相对大。利用不平衡电桥产生的电压线路简单，适用电桥法补偿热电偶冷端温度变化对热性差，补偿范围电动势的影响小补偿系数与冷端温度简单，适用性差，补偿系数修正法相乘再加上测得的温度测温范围小242线性化的方法（1）单反馈法这种方法是利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。几种非线性稍小的热电偶，在温区要求不宽的情况下，可以采用这种方法。有时，由于在某一温区有精度要求，那么就在该温区对信号进行调理，达到要求的目标；在没有精度要求温区可以放宽，只作监视用。（2）折线近似法这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。处理得好可以达到较高的精度。这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。图26折线近似法这种方法的电路原理图如图26所示。该电路的工程是当输入的电压信号较低时，IC1中的反向端电压较同向端A低得多（同向端的电压大小是根据线性化要求设定的，B点同样），IC1的输出端电压较高，D1截止。当输入信号电压接近IC1的同向端时，IC1的输出逐渐降低，随之，D1逐渐导通，V4逐渐增大，直到V4接近A点电压为止。这就有效地限制了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。IC2的工作工程与此类似，不同的是B点电位比A点高。当输入电压在A点电压以下时，D2截止，IC2不工作；只有当输CV6R6V3R2R1RAB2IC1IC2D5V5R1D4R4V7R3IC8R9R10R0FV输入入电压高于A点电压或接近B点电压时IC2才工作。工作过程与IC1相同。所用折线的段数是根据精度要求决定的。对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到05以上。当D1、D2都导通后，可以推出212456954018FRRVVR（3）查表法为了测量方便，规定了几种常用的定性热电偶分度表。这样只要测出冷端温度就可以查表得到冷端的热电势，与热端的热电势相加得到总的热电势，然后再反查表就可以得到被测的温度。E型热电偶分度表如表24所示。表24E型热电偶部分分度表01234567890000000590118017602350295035404130472053210059106510711077008300890095010111071113120119212521313137314341495155616171678173930180118621924198520472109217122332295235740241924822544260726692732279528582921298450304731103173323733003364342834913555361960368337483812387639414005407041344199426470432943944459452445904655472047864852491780498350495115518152475314538054465513557990564657135780584659135981604861156182625010063176385645265206588665667246792686069281106996706471337201727073397407747675457614120768377527821789079608029809981688238830713083778447851785878657872787978867893890081409078914992209290936194329503957396449715150978798589929100721007210143102151028610358104291601050110573106451078910789108611093311005110771115017011222112941136711512115121158511657117301180311876180119491202212095122411224112314123871246112534126081901268112755128281297512975130491312313197132711334520013419134931356713715137151378913864139381401214087210141611423614310144601446014534146091468414759148342201490914984150591520915209152841535915435155101558523015661157361581215963159631603816114161901626616341温度热电动势MV查表法使用的表是NBS（NATIONGALBUREAUOFSTANDARDS,美国国家标准局）提供的热电偶分度表，采用查表法需占用较多的存储器，但对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的解决方法。除此之外还有多项式法和热电偶输出信号线性模拟化。多项式系数线性逼近法软件实现时只需要预先确定多项式系数，不需要存储，较为通用，但在温度测量范围宽、多项式阶数高的情况耗时较长；输出信号线性模拟化需要设计专用硬件电路来实现，比较复杂。25本章小结本章详细介绍了热电偶测温的工作原理和目前国际通用的标准和非标准测温热电偶的结构与测温范围。并且重点介绍了传统热电偶冷端补偿的方法与原理，以及线性化的一些方法。第3章基于STM8单片机的补偿方案硬件设计本次设计选用了STM8单片机来处理数据，用STM8的A/D模块来模拟热电偶测得的热电动势，用DHT11来采集热电偶冷端温度，通过查表得到冷端热电势，然后相加得到总的热电势，然后反查表得到被测温度，最后用MAX7219来驱动LED显示器显示测得的数值。31总体的系统设计根据热电偶的测温原理可知，当热电偶热端测量温度时会产生热电势，由于热电偶产生的热电势非常小，所以要经过一个放大电路，使该信号放大以便能被检测到。除此之外，还要经过一个滤波电路，去除掉波形的影响。这样就得到一个容易被检测的稳定的电压信号。此时这个电压信号是模拟信号，若要被单片机检测到就需要经过一个A/D模数转换器，将这个模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机将这一热电势显示出来，该热电势表示为。由于冷端温度不为0,此时测的温度不是实际的温0,ET度值。用温度传感器测出热电偶冷端温度直接送入单片机中显示出来,然后通过查表，得到了冷端温度对应的热电势。根据热电偶的中间温度0,ET定律可以知道,得到后通过查表就可以算00,出被测温度。总体的系统设计。如图31所示。T热电偶放大器图31总体的系统设计图由于本设计主要的任务是热电偶的冷端补偿，可以在不测量热电偶热端温度的情况下实现模拟的冷端补偿。所以用STM8的A/D模块来模拟热STM8DHT11数码管A/D滤波器冷端温度电偶测得的热电势信号，假设模拟的这个信号是E型热电偶的热电动势的信号，所以查表时，只需知道E型热电偶的热电势分度表就好了。32STM8单片机简介本次毕设选用的是STM8S105S4T6板，STM8S105S4T6主板配置了一个LED灯、一个按键、蜂鸣器、电位器等试验单元，电位器可以做A/D转换实验。其引脚图如图32所示。图32STM8S105S4T6板的引脚图（1）STM8的中央处理单元它是三级流水线的哈佛结构，具有32位宽程序存储总线，对大多数指令可进行单周期取值；具有两个16位寻址寄存器X寄存器和Y寄存器，允许带有偏移的变址寻址模式和读改写式的数据操作；具有24位程序指针，可以访问16M字节线性地址空间；16位堆栈指针，可以访问64K字节深度堆栈；8位状态寄存器，可根据上条指令的结果产生7个状态标志位。STM8有20种寻址模式，用于地址空间内任何位置上的查询数据表的变址方式和用于局部变量和参数传递的堆栈指针相对寻址模式。STM8有80条指令，指令平均长度为2字节。分别为标准的数据传送和逻辑/算数功能；8位乘8位的乘法指令；16位除8位和16位除16位除法指令；位操作指令；通过对堆栈的直接访问实现堆栈和累加器之间的数据直接传送PUSH/POP和使用X和Y寄存器传送数据或者在存储器之间直接传送数据15。（2）中断控制器STM8的中断控制器是具有3级软件优先级设定的嵌套中断，有硬件优先级的32个中断向量；其中27个外部中断分布在6个中断向量上。其所有的I/O引脚都具有外部中断能力，每一个端口都有独立的中断向量以及独立的标志。具有灵活的优先级和中断等级管理，支持可嵌套的或同级中断管理多大4个软件可编程的嵌套等级；最多32个中断向量，其入口地址由硬件固定；2个不可屏蔽事件RESET、TRAP；1个不可屏蔽的最高优先级的硬件中断TLI15。（3）FLASH程序存储器和数据EEPROM存储器STM8内部的FLASH程序存储器和数据EEPROM由一组通用寄存器来控制。用户可以使用这些寄存器来编程或擦除存储器的内容、设置写保护、或者配置特定的低功耗模式。用户也可以对器件的选项字节进行编程。其具有如下几个特点最多可达32K字节的单电压闪存程序存储器；最多可达1K字节的真正的数据EEPROM；写的同时读，向EEPROM中写数据同时执行程序存储器的程序；用户选项字节区15。（4）时钟控制STM8的时钟控制器功能强大且灵活易用。其目的在于使用户在获得最好的性能的同时，也能保证消耗的功率最低。用户可独立地管理各个时钟源，并将它们分配到CPU或各个外设。主时钟和CPU时钟均带有预分频器。时钟控制器将来自不同振荡器的系统时钟连接到内核和外设，它也为低功耗模式管理时钟的选通，并确保时钟的可靠性。它有以下几个特点时钟分频为了在速度和电流消耗之间找到一个最佳的平衡点，可通过一个可编程的预分频器来调整CPU和外设的时钟频率。安全的时钟切换通过一个配置寄存器，可以在运行的时候安全的切换时钟源。新的时钟源准备好之前时钟信号不会被切换。这个设计能够保证无故障地切换时钟。时钟管理为了减少功耗，时钟控制器可以关闭内核、每个外设或存储器的时钟。主时钟源4个不同的时钟源可用来驱动主时钟。116MHZ的高速外部晶振HSE；最高至16MHZ的高速外部时钟HSE；16MHZ高速内部RC振荡器HSI；128KHZ低速内部RCLSI。启动时钟复位之后，单片机默认运行在内部2MHZ时钟下HIS/8。一旦代码开始运行，应用程序就可以更改预分频比例和时钟源。时钟安全系统CSS这个功能可以用软件打开。一旦HSE时钟失效，CSS可以自动地将主时钟切换到内部RC16MHZ/8，并且可以选择产生一个中断15。（5）定时器STM8提供三种类型的TIM定时器高级控制器TIM1、通用型TIM2/TIM3/TIM5和基本型定时器TIM4/TIM6。TIM1是一个宽范围控制应用而设计的高端定时器，带有互补输出、死去控制和中心对齐的PWM功能，这个领域的应用包括马达控制、照明和班桥驱动等。是带有16位预分频的16位递增、递减和双向递增/递减自动重载计数器；拥有4个独立的捕获/比较通道CAPCOM，可配置成输入捕获，输出比较，PWM产生边沿或中心对齐模式和单脉冲模式输出；具有使用外部信号控制定时器的同步模块；可强制定时器输出进入预定状态的刹车输入；死区时间可调的3个互补输出；具有3个输入捕获/输出比较，1个溢出/更新，1个刹车中断源。TIM2、TIM3是16位向上计数和自动装载计数器；是15位的预分频器，分频系数可调整为132768之间的2次幂数值；带有3个或2个独立可配置的捕获/比较通道；中断源有2个或3个输入捕获/输出比较，1个溢出/更新。TIM4是8位自动装载可调整的预分频器，比例可选1128之间2次幂数值；其时钟源是CPU时钟；中断源只有1个溢出/更新15。（6）模数转换器ADC1STM8S105系列基础型产品包括一个10位连续渐进式模数转换器ADC1提供多达10个多路复用输入通道，主要特点如下有输入电压范围；转换时间14个时钟周期；具有单次和连0DAV续的以及带缓冲的连续转换模式；缓冲区大小位输入通道数；10N可以对一系列的通道进行单次或连续的扫描；带有可编程上限或下限的模拟看门狗；可以用TIM1定时器触发信号TRGO触发。支持5种转换模式,单次模式、连续模式、带缓存的连续模式、单次扫描模式、连续扫描模式15。（7）通用输入输出口GPIO通用输入/输出口用于芯片和外部进行数据传输。一个IO端口可以包括多达8个引脚，每个引脚可以被独立编程最为数字输入或者数字输出口。另外部分口还可能会有如模拟输入，外部中断，片上外设的输入/输出等复用功能。但是在同一时刻仅有一个复用功能可以映射到引脚上。复用功能的映射是通过选项字节控制的。每个端口都分配有一个输出数据寄存器，一个输入引脚寄存器，一个数据方向寄存器，一个选择寄存器，和一个配置寄存器，一个I/O口工作在输入还是输出是取决于该口的数据方向寄存器的状态15。其主要功能有端口的各个位可以被单独配置；可选择的输入模式浮动输入和带上拉输入；可选择输出模式推挽式输出和开漏输出；数据输入和输出采用独立的寄存器；外部中断可以单独使能和关闭；输出摆率控制用以减小EMC噪声；片上外设的I/O口功能复用；当作为模拟输入时可以关闭输入施密特触发器来降低功耗；在数据输出锁存时支持读修改写；输入兼容5V电压；I/O口工作电压范围为16V到。MAXDIOV33热端温度测量模拟实现由于本文研究的主要内容是热电偶的冷端补偿，为了突出工作重心，故将热电偶测的热电动势信号用一个虚拟信号代替。这样就跳过了热电偶热端测温的信号放大和滤波处理。用STM8的A/D模块和外围电位器来实现热端电动势的模拟输入。电位器接到STM8的A/D转换器通道，通过控制电位器的变化来模拟热电势的变化，并通过A/D转换器将电位器改变的模拟量转化为数字量，这便是模拟出来的热电偶测温的热电势。0,ET34冷端温度测量电路真正的热电偶测温时，热电偶的冷端和热端不在一个环境下。通常来说，热电偶热端去测被测物体时，为了使冷端保持一个相对稳定的温度，会通过补偿导线将冷端跟测量仪器放到一个稳定的环境下，一般是在温度变化不大的室内。所以再测量冷端温度时，就可以用一个测温范围不用太大的温度传感器来测量；而在室内，冷端温度的稳定也只是相对而言，在不同的时间段，室内温度会有差异，这就要求温度传感器可以实时测量温度并传送到单片机。故根据这些条件冷端温度的测量选用了DHT11这一温湿度传感器，这里只用到它对温度的采集。341DHT11工作原理（1）DHT11简介DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校对数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保其具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相接。因此具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗、信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。（2）DHT11的工作原理DHT11是串行接口（单线双向），DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4MS左右,数据分小数部分和整数部分,