【自动化】汽车尾气余热发电系统温度检测模块设计与开发

毕业设计论文任务书学生姓名专业班级自动化0601班指导老师工作单位自动化学院设计论文题目汽车尾气余热发电系统温度检测模块设计与开发设计论文主要内容了解汽车尾气余热发电系统结构，了解常见温度传感器的基本种类与各自特征，设计温度检测模块，选用PIC单片机控制，采用CAN总线通信技术，确定系统控制方案，完成硬件电路设计。要求完成的主要任务（1）了解温度传感器特别是热电偶的基本种类与各自特征，并选择合适的热电偶，使其能检测0350、03800两种范围的温度，同时精度要求在05。（2）了解温度变送器的工作原理，并选择能够与温度传感器相符的温度变送器；（3）了解PIC单片机的基本功能，选择能够实现8路AD转换功能的单片机作为本设计的主控机及AD转换器件；（4）了解CAN总线的基本功能，并以CAN总线数据传输作为本设计的数据传输的方式，其波特率可达250KBPS；（5）撰写毕业设计论文，字数15000左右；（6）翻译外文文献20000字符。参考资料1程德福,王君,凌振宝,王言章传感器原理及应用M北京机械工业出版社20082田宇鹏,姚恩涛,李开宇传感器原理M北京科学出版社,20073饶运涛,邹继军,郑勇芸现场总线CAN总线原理及应用技术M北京航空航天大学出版社,20034夏继强单片机实验与实践教程M北京北京航空航天大学出版社,20015刘向宇,秦龙PIC单片机C语言程序设计实例精粹丁元杰M北京电子工业出版社2010指导教师签名系主任签名院长签名章武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）如今汽车已逐步成为现代人们出行旅游的主要交通工具，然而在满足人们出行方便的同时，汽车尾气也已成为环境污染的重要源头。汽车尾气是由内燃机中燃料燃烧排放出来的废气，虽然机车是靠燃料燃烧所产生的机械能来制动的，但是燃料燃烧所产生的能量并不能完全转换成汽车动能，其余大部分将随尾气热量排出于空气中而未被利用，这部分未能被利用的能量，不仅会造成严重资源浪费，同时废气直接排入空气还会污染空气。同时，汽车内部许多设备需要电能驱动，而在现在许多车辆中整车的电能依然是靠汽车运动时的机械发电的，这样又会造成机械能的损失。但是如果利用汽车尾气的余热来发电，将这部分热量转换成电能供汽车设备使用，这样不仅能变废为宝节省能源，同时还不会削减汽车的动能，达到双重收获。同时也将会促进整个汽车行业的发展，特别是石油价格日益加重的今天，也为人们带来良好的经济效益。利用汽车尾气余热发电，首先必须对汽车尾气进行温度检测。通过温度检测，来获得相关数据，以此研究尾气温度与所产生电能大小之间的关系，为提高效率改进装置提供数据支持。对汽车尾气温度的检测，一般采用热电偶温度传感器。如今，传感器技术已十分成熟，比较常用的传感器有热电偶，热敏电阻温度传感器，以及集成温度传感器中的三类电压输出型集成电路温度传感器；电流输出型集成电路温度传感器；数字输出型集成温度传感器1。这些温度传感器的测量范围，测量精度都有所差异，一般在测量高温物体时选用热电偶温度传感器，而对一般温度较低的物体则采用热敏电阻温度传感器。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力2。所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高应用设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。由于CAN总线数据传输的高性能、高可靠性及独特性，CAN总线数据传输也越来越受人们的重视。CAN总线属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的通信具有突出的可靠性、及时性和灵活性3。当前，各国为提高能源利用率都在不断努力。寻找新能源，可替代能源，加深对能源的利用等方面都取得了一定收获。在全球汽车行业飞速发展的今天，随着工业的发展需求，人们对这些能源的消耗越来越大。需求不断加大，能源匮乏等问题也越来严重。一方面是能源的储藏有限；另一方面在机器的运行过程中，比如汽车的运行过程中能量又不会完全利用。如何让这些流失的能量加以利用或回收，以达到节约能源、提高能源利用率，解决能源匮乏问题有着相当重大的意义。在一些发达国家，汽车燃料利用率也在不断提高，美国，日本，德国等一些发达国家都在不断研究新领域，混合动力汽车、新型柴油机车、可变排量机车等绿色汽车，这些在一定程度上不仅节省了燃料的使用，更大大提高了内燃机的利用率，从而起到节约能源的良好效益。而我国汽车行业起步晚，许多技术还未成熟，但也不断研制高效能汽车，一些国内品牌如比亚迪，奇瑞等正大量投入研制使用轻能源，电动汽车，从而改善这一现状。将汽车尾气的热能转换成电能来供汽车运行，不仅在很大程度上也节省了能源的利用，同时也对提高效率，改善环境等方面有很好帮助，但此技术的使用未到成熟地步，利用率较低，加之成本高，还有待改进。汽车尾气直接排放于空气不仅会造成环境污染，也会造成巨大能源浪费。由于尾气排放于空气中会带走大量热能，如果将这些热能加以利用，不仅会减少能量损失，变废为宝，还会减少环境污染，达到双重效益。因此，通过汽车尾气温度检测以提高热电转换效率从而带来良好经济效益和社会效益。本设计准备主要以温度检测、AD转换以及CAN总线数据传输三部分展开，在对器件功能及各项指标的了解的基础上选择合理的器件，以设计合理的硬件电路图实现其基本功能。2、基本内容和技术方案本设计是基于对汽车尾气温度的检测，论文准备以下几个方面的内容展开（1）了解温度传感器的发展现状，如集成温度传感器以及其他温度传感器，了解传感器基本种类，以及工作原理，特别是热电偶传感器，选择能检测350，800的温度，同时精度要求在05的热电偶作为本设计的基本器件；（2）了解温度变送器的工作原理，并选择能够与温度传感器相符的温度变送器；使其能得到电流信号；（3）了解PIC单片机的基本功能，选择能够实现8路AD转换功能的单片机作为本设计的主控机及AD转换器件；（4）了解CAN总线的基本功能，包括SJA1000的功能，以及CAN总线收发器PCA82C250/251的基本功能，同时以以CAN总线数据传输作为本设计的数据传输的方式，其波特率可达250KBPS；（5）完成系统设计，并作基本硬件电路图。将温度传感器直接与所要测得的汽车尾气所要经过的热电转换模块相连，以感应所要测量的温度，并通过温度变送器转换成可以方便测量的电流信号，经处理后传输给PIC16F877AD转换单元，进行模数转换，而且此单片机同时还兼有控制功能，进行温度巡检，或是休眠等控制。这样大大提高了可控性与可操作性，为实验的进行带来极大方便之处。同时，转换出来的数据通过CAN总线数据传输给给定模块以实现其基本功能。此方案，准确性强，且方便实用，大大提高了运行效率，也为汽车尾气发点这一目的带来良好的效益。3、进度安排第12周毕业实习，撰写毕业实习报告；第34周翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告；第5周确定最终方案，并进行可行性分析；第68周硬件设计及程序代码编制第9周中期检查；第1011周综合调试，根据结果完善系统；第1214周完成论文撰写；第1516周论文答辩及装订。4、指导教师意见岳凯同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。指导教师签名年月日目录摘要IABSTRACTII1绪论111研究背景及意义112温度检测发展现状2121集成温度传感器的分类2122辐射式温度传感器313本文主要研究内容42温度传感器比较与选择521温度传感器概述522热电偶温度传感器5221热电偶的工作原理5223热电偶的常用材料与结构7224冷端温度及处理823温度传感器的选择93测量方案设计1031整体方案设计1032温度传感器选型1033温度变送器的选型1034运算放大器的选型1035PIC单片机型号的选型1136ADC的选型1337数据传输总线选择144硬件电路设计1441电源部分1442温度测量部分硬件电路设计1543PIC单片机硬件设计1644数据传输部分175CAN总线传输1951CAN总线技术特点1952芯片SJA1000的概述1953CAN总线收发器2154CAN总线在本系统中的应用2255主流程框图25结束语26参考文献27致谢28附总电路图29摘要当今，汽车的发展给人们带来极大的便利，但同时也带来了负面影响，环境污染，资源浪费。因此如何提高能源利用率，减少环境污染等问题也迫在眉睫。利用汽车尾气余热发电以供给汽车设备使用可以在很大程度上解决这一难题。尾气温度检测是余热发电系统的必要环节，通过对尾气温度的检测来获得相关温度参数，以研究尾气温度与所产生电能大小之间的关系，从而为改进装置、提高热量与电能之间的转换率提供数据支持。本文在对热电转换系统了解的基础上，设计了一种以K型热电偶来测尾气温度，以T型热电偶测尾气通过各模块温度；通过变送器将信号转换成模拟量传输给PIC16F877多路AD转换通道，然后以CAN总线来传输，最终得到检测数据。文中阐述了热电偶的基本原理及选择、PIC单片机、CAN总线技术等基本原理及功能，以及多路温度传感器的温度检测及传输，温度变送器的选择以及AD转换设计方法，CAN总线数据传输，并给出了相关硬件电路图。同时，该系统测量精度高，抗干扰能力强，实用性强，具有很强的实际操作性。研究结果表明，以K型、T型热电偶来检测尾气温度，通过PIC单片机AD转换功能将数据通过CAN总线传输得到尾气温度数据，最终得到所需数据，以方便研究。关键词温度检测；PIC16F877；CAN总线ABSTRACTTODAY,THEDEVELOPMENTOFAUTOMOBILEBRINGGREATCONVENIENCETOPEOPLE,BUTALSOCAUSEENVIRONMENTALPOLLUTIONANDENERGYPROBLEMSHOWTOIMPROVEENERGYEFFICIENCYANDREDUCEENVIRONMENTALPOLLUTIONPROBLEMSAREIMMINENTTHEREFORE,THEUSEOFAUTOMOTIVEEXHAUSTGENERATINGHEATSUPPLYANDUSEOFMOBILEEQUIPMENTINLARGELYTOSOLVETHISPROBLEMANDEXHAUSTTEMPERATUREDETECTIONHEATGENERATIONSYSTEM,BASEDONTHEESSENTIALLINKTOOBTAINTHETEMPERATUREEXHAUSTTEMPERATUREPARAMETERSRELATEDTOSTUDYTHEEXHAUSTTEMPERATUREANDGENERATEDELECTRICITY,THERELATIONSHIPBETWEENTHESIZEANDIMPROVEDEVICETOIMPROVETHEHEATANDENERGYCONVERSIONBETWEENBASEDONTHEUNDERSTANDINGOFTHERMOELECTRICCONVERSIONSYSTEMBASEDONDESIGN,AKINDOFKTOEXHAUSTTEMPERATURE,THERMOCOUPLEWITHTSHAPETHERMOCOUPLETEMPERATUREMEASUREMENTEXHAUSTTHROUGHEACHMODULE,THROUGHTHETRANSMITTERWILLBECONVERTEDINTOANALOGSIGNALTRANSMISSIONGIVEPIC16F877MULTIPLEXINGCHANNEL,ANDFINALLYTOADTRANSFORM,THECANBUSFINALTESTDATAINTHISPAPER,THEBASICPRINCIPLEANDCHOOSETHERMOCOUPLES,PICMICROCONTROLLER,THECANBUSTECHNOLOGY,BASICPRINCIPLEANDFUNCTIONTHEROADISGIVENINTHEPAPEROFTHETEMPERATURESENSOR,THETEMPERATUREDETECTIONANDTRANSMISSIONOFCHOICEANDTEMPERATURETRANSMITTERADTRANSFORMDESIGNMETHOD,THEFUNCTIONOFCANBUSTRANSPORT,ANDGIVESTHECORRESPONDINGHARDWARECIRCUITATTHESAMETIME,THESYSTEMHASHIGHACCURACYANDSTRONGANTIJAMMINGCAPABILITY,PRACTICALSTRONG,STRONGPRACTICALOPERATIONRESEARCHRESULTSSHOWTHATTHEEXHAUSTTHROUGHTHETHERMOELECTRICCONVERSIONMODULECANBECONVERTEDINTOHEATENERGYOFTHEROLE,ATTHESAMETIMETHEBASICCANREALIZETHETRANSFORMATIONOFENERGYSUPPLY,THUSGREATLYREDUCEUSEOFLOCOMOTIVEBYUSINGTHEENERGYTOPOWERTHECARSTHISLINK,WHICHSAVESENERGYCONSUMPTIONBYUSINGFUELUSINGTHEWASTEGAS,ALSOIMPROVEDENERGYEFFICIENCYANDENVIRONMENTALEFFECTOFSAVINGMOREPLAYTHEREFORE,THEUSEOFTHISTECHNOLOGYCANGREATLYIMPROVETHEDEVELOPMENTOFAUTOMOBILEINDUSTRY,ALSODONOTCONTRIBUTETOHUMANPROGRESSRESEARCHRESULTSSHOWTHAT,BYK,TTHERMOCOUPLETEMPERATUREDETECTION,THROUGHTHEPICMICROCONTROLLERTAILADTRANSFORMFUNCTIONDATATHROUGHTHECANBUSTRANSPORTGETEXHAUSTTEMPERATUREDATAAND,EVENTUALLY,TOOBTAINTHEREQUIREDDATA,TOFACILITATESTUDIESKEYWORDSTEMPERATUREDETECTIONPIC16F877THECANBUS1绪论11研究背景及意义如今汽车已逐步成为现代人们出行旅游的主要交通工具，然而在满足人们出行方便的同时，汽车尾气也已成为环境污染的重要源头。汽车尾气是由内燃机中燃料燃烧排放出来的废气，虽然机车是靠燃料燃烧所产生的机械能来制动的，但是燃料燃烧所产生的能量并不能完全转换成汽车动能，其余大部分将随尾气热量排出于空气中而未被利用，这部分未能被利用的能量，不仅会造成严重资源浪费，同时废气直接排入空气还会污染空气。同时，汽车内部许多设备需要电能驱动，而在现在许多车辆中整车的电能依然是靠汽车运动时的机械发电的，这样又会造成机械能的损失。但是如果利用汽车尾气的余热来发电，将这部分热量转换成电能供汽车设备使用，这样不仅能变废为宝节省能源，同时还不会削减汽车的动能，达到双重收获。同时也将会促进整个汽车行业的发展，特别是石油价格日益加重的今天，也会给人们带来良好的经济效益。利用汽车尾气余热发电，首先必须对汽车尾气进行温度检测。通过温度检测，来获得相关数据，以此研究尾气温度与所产生电能大小之间的关系，从而为提高效率改进装置提供数据支持。对汽车尾气温度的检测，一般采用热电偶温度传感器。如今，传感器技术已十分成熟，比较常用的传感器有热电偶，热敏电阻温度传感器，以及集成温度传感器中的三类电压输出型集成电路温度传感器；电流输出型集成电路温度传感器；数字输出型集成温度传感器ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。这些温度传感器的测量范围，测量精度都有所差异，一般在测量高温物体时选用热电偶温度传感器，而对一般温度较低的物体则采用热敏电阻温度传感器。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高应用设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。由于CAN总线数据传输的高性能、高可靠性及独特性，CAN总线数据传输也越来越受人们的重视。CAN总线属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的通信具有突出的可靠性、及时性和灵活性3。当前，各国为提高能源利用率都在不断努力。寻找新能源，可替代能源，加深对能源的利用等方面都取得了一定成果。在全球汽车行业飞速发展的今天，随着工业的发展需求，人们对这些能源的消耗越来越大。需求不断加大，能源匮乏等问题也越来严重。一方面是能源的储藏有限；另一方面在机器的运行过程中，比如汽车的运行过程中能量又不会完全利用。如何让这些流失的能量加以利用或回收，以达到节约能源、提高能源利用率，解决能源匮乏问题有着相当重大的意义。在一些发达国家，汽车燃料利用率也在不断提高，美国，日本，德国等一些发达国家都在不断研究新领域，混合动力汽车、新型柴油机车、可变排量机车等绿色汽车，这些在一定程度上不仅节省了燃料的使用，更大大提高了内燃机的利用率，从而起到节约能源的良好效益。而我国汽车行业起步晚，一些技术还未成熟，在高效能汽车方面，一些国内品牌如比亚迪，奇瑞等正大量投入研制使用轻能源，电动汽车，以此来改善这一现状。将汽车尾气的热能转换成电能来供汽车运行，不仅在很大程度上也节省了能源的利用，同时也对提高效率，改善环境等方面有很好帮助，但此技术的使用未到成熟地步，利用率较低，加之成本高，还有待改进。汽车尾气直接排放于空气不仅会造成环境污染，也会造成巨大能源浪费。由于尾气排放于空气中会带走大量热能，如果将这些热能加以利用，不仅会减少能量损失，变废为宝，又会减少环境污染，达到双重收益。因此，通过汽车尾气温度检测以提高热电转换效率从而带来良好经济效益和社会效益。本文主要以温度检测、AD转换以及CAN总线数据传输三部分展开，对器件功能及各项指标的了解，从而选择合理的器件，以设计合理的硬件电路图实现其基本功能。12温度检测发展现状作为本实验的重要环节温度检测，首先是对传感器的选择。如今新型温度敏感元件，将温度传感器的发展推向新的高度。这类传感器的输出性能好、测量精度高，并且其传感驱动电路，信号处理电路等都能与温度传感器部分集成在一起，因此也可称为集成温度传感器；当然在远距离温度检测方面，辐射式温度传感器代表着现在较高水平的测温元件。121集成温度传感器的分类集成温度传感器主要分为三类电压输出型集成电路温度传感器；电流输出型集成电路温度传感器；数字输出型集成温度传感器。电压输出型集成温度传感器与缓冲放大器集成在同一芯片上制成的测温器件。因器件有放大器，固输出电压高，线性输出为10MV/。另外，由于其具有输出阻抗低的特性，故不适合长线传输。这类集成温度传感器特别适用于工业现场测量。电流输出型集成温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上，再通过激光修版加工技术，制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1UA/K；其次，因其输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗，其值可达10M欧姆，这为远距离传输测温提供一种新型器件。数字输出型集成温度传感器是将温度检测和A/D转换等电路集成在同一芯片上，直接输出数字量的温度器件。这类传感器有单总线式、双总线式、三总线式等多种类型，并直接与单片机接口几乎不需要外围元件，使得硬件电路结构简单，抗干扰能力强，广泛应用于接点分布的测温场合ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。122辐射式温度传感器辐射式温度传感器是利用物体的辐射能量随温度变化的原理制成的，它属于非接触式温度传感器的一种。其工作原理是物体受热激励了原子中的电子，使电子运动的动能增加，有一部分能量以电磁波形式向空间辐射，它不需要任何物质为介质，辐射能量的多少与温度、波长有关。当温度较低时，辐射能量的多少与温度、波长相关。当温度较低时，辐射能力很弱；当温度升高时，辐射能力变强；当温度升高到一定数值后，用肉眼可以看到发光，其发光亮度与温度有一定关系。因此，辐射式温度传感器常用于检测高温、超高温、运动物体或小体积的被测对象的温度。根据辐射测温的方法的不同，有辐射式温度传感器组成的测温系统有光学高温计、辐射温度计、比色温度计三种类型。（1）光学温度计光学温度计是利用物体单色辐射量度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射物体的亮度进行比较，从而确定被测物体的温度。由于实际物体比绝对黑体的单色辐射发射系数小，因而实际物体的单色亮度小于绝对黑体的单色亮度，故光学高温计测得的温度低于被测物体的实际温度。所测得的温度称为亮度温度。光学高温计主要由光学系统和电测系统两部分组成，其工作过程是将被测物体与标准光源的辐射经调制后射向光敏元件，当两束光的亮度不同时，光敏元件产生输出信号，经放大后驱动与标准光源相串联的电位器滑动端向相应的方向移动，以调节标准光源的回路电流，从而改变他的发光亮度；当两束光的亮度相同时，光敏元件没有信号输出，这是电位器的电阻及代表被测温度。这种传感器的量程较大，具有较高的侧来那个精度，一般用于测量温度在7003200的烧铸、轧钢、锻压和热处理等场合的温度。（2）辐射温度计辐射温度计也叫电热推，是利用被测物体在全光谱范围内总辐射能量与温度之间的关系来确定被测物体的温度。黑体的热辐射与温度之间的关系如下（11）40TE式中，E0为黑体全辐射能量；为斯庆潘波尔兹曼常数，567108W/M2K4；为被测温度。实际被测物体全辐射能量E与同一温度T下黑体全辐射能量E0是不同的。（3）比色温度计比色温度计是以测量两种波长的辐射量度之比与被测温度之间的关系为基础，故此称这种测温方法为“闭塞测温法”。如果被测物体辐射的两种波长（和）对应的亮度12之比值相等，则黑体的温度称为比色温度，它与被测物体之间的真实温度T之间的关系为（12）1LN12221CTP式中，为对应于波长为的单色辐射发射因数；为对应于波长为的单色辐射发1122射因数；C2为第二辐射常数，144104UMK。2由式可以看出，当两种波长的单色辐射发射因数相同时，被测物体的真是温度T一定与比色温度TP相同。一般被测物体的发射因数不随波长而变，因此他们的比色温度等于真实温度。对被测辐射物体两种波长按工作条件和需要选择，通常对应为蓝色，1对应于红色。对于很多金属，由于单色辐射发射因数随波长的增加而减少，故比色温2度稍高于真是温度5。13本文主要研究内容汽车尾气余热发电系统模块的温度检测，需要有温度检测部分，AD转换部分以及数据传输部分，以实现温度的检测和数据的获取。第2章通过对热电偶的基本原理，功能的介绍，并对几种热电偶的工作的指标的分析比较，选择适于本设计要求的热电偶以实现温度采集。在温度检测中，热电偶在本设计中占有重要地位，不仅仅是检测温度的一种基本器件，同时其发展现状也对温度检测带来重要影响。第3章主要讲述对本设计做出设计方案的器件选型，包括温度传感器、温度变送器、运算放大器、PIC单片机以及数据传输总线的选型，本章通过对各类器件的主要功能及其基本原理以及器件在本设计中的作用的介绍，选择适于本设计的器件，以更好实现其基本功能，为本设计的顺利完成提供有力保障。第4章基于对各个器件已选择好的基础上，进行硬件电路设计，包括电源部分、温度测量部分、PIC单片机部分以及数据传输部分，通过对各部分硬件设计以实现其基本功能，完成本设计。第5章将CAN总线数据传输单独成为一章，对CAN总线数据传输做较为深入介绍，不仅是任务要求，同时也是本设计独特的一点，选用CAN总线数据传输具有很好的可操作性，并且在整体上也与其他系统相结合，共同组成CAN总线控制系统。本设计的主要技术参数为尾气的温度范围700；模块温度范围350；精度误差小于05。2温度传感器比较与选择21温度传感器概述温度传感器的种类和特点测量温度的方法大致分为为接触式和非接触式两种。因此，温度传感器也分为接触式和非接触式两种传感器。接触式传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两者具有相同温度时达到测量的目的。这种传感器的测量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小时，会给测量带来误差。非接触式温度传感器是利用物质的热辐射原理工作，测温敏感元件部不与被测介质直接接触，是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。这种传感器的制造成本较高，测温精度却较低，但不存在测温敏感元件与被测介质接触之间的热交换现象。通过对接触式与非接触式传感器的理解，对于在汽车尾气流过模块时，会随流经的距离温度发生变化，且在刚流进模块的温度高，随后降低，因此对汽车尾气的温度测量选择接触式，分段来测量尾气温度。22热电偶温度传感器温差热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感器之一。它除具有结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能有来测量流体、固体及固体壁面“点”的温度。微型热电偶还用于快速及动态温度的测量。221热电偶的工作原理热电偶温度传感器工作原理建立在导体的热点效应上。两种不同性质的导体（或半导体）可组合成如图21所示的闭合回路，若两种导体A和B的连接点上点温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，有就是说回路中有电动势存在，我们把这种现象叫为热电效应。T0ATBABT图21热电偶原理图图22接触电动势原理图（1）接触电动势由于两种导体（或半导体）材料不同，当他们互相接触时，由于其内部电子密度（单位体积中自由电子数）不同，设导体A的电子密度大于B的电子密度，则就会有一些电子从导体A扩散到导体B，如图22所示。此时，导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触处形成电位差，称为接触电动势。该电动势的大小主要取决于接触处的温度和A、B导体材料的性质。根据物理学有关理论推导，接触电动势可用如下式表示TEABBTANKLN（21）式中TEAB为导体A、B的接触点在温度T的形成的接触电动势；E为电子电荷量，E161019C；K为波尔兹曼常数，K1381023J/K；NAT、NBT为导体A、B在接触处温度为T时的电子密度。（2）温差电动式温差电动势是由于单一导体两端温度不同而产生的一种热电动势，如图23所示。由于导体两端温度不同，假设一段温度为T，另一端温度为T0，且TT0，则两端电子能量也不同，即温度越高，电子能量就越大，能量较大的一端电子必定会向能量较小一端扩散，这样就会形成一个由高温向低温的温差电动势。该电动势的形成又会阻止电子继续向低温扩散，最后达到平衡。温差电动势的大小可用下式表示（22）,0TEADA式中，为导体A两端温度分别为T和T0时形成的温差电动势；T、T0为高TEAB低温的绝对温度；为汤姆逊系数。1T0EABT0EAT，T0EA（T，T0）ABEBTT0EAB（T）图23温差电动势原理图图24热电偶回路电动势分布图图24所示为由不同导体材料A、B组成的闭合回路，其节点两端温度分别为A_T、T0，如果TT0，则必存在两接触电动势,、和两个温差电动，于是，0TEAB,0TEA回路总电动势可由下式表示,0000EETEBABAAB（23）DTNKKTBBT0LNL式中，为由导体A、B的热电偶在接触点温度为T和T0时的电动势；,0TEABATN为导体A在接触点温度为T和T0时的电子密度；、为导体B在接触点温0ATNB0N度为T和T0时的电子密度；、为导体A和B的汤姆逊系数。AB如果参考温度恒定不变，即（常数），则回路热电动势就只与0CF0,0TEAB温度T有关，而且是T的单值函数，即（24）,0TFTEAB热电偶的温度与热电动势间的函数关系可以用函数形式，也可以用表格形式。通常把温度较高的一段叫热端，把温度较低的一段脚冷端。应该指出，在实际测量中不可能也没有必要单独测量温差电动势和接触电动势，而只需用仪表测出回路中总电动势即可。由于温差电动势与接触电动势相比较，其值很小，因此，在工程技术中认为热电动势近似等于接触电动势。223热电偶的常用材料与结构热电偶的材料应满足（1）物料性能稳定，热点特性不随时间改变；（2）化学性能稳定，以保证在不同介质中测量是不被腐蚀；（3）热电动势尽可能高，电导率高，且本身的电阻温度系数要小；（4）便于制造；（5）复现性好，便于成批生产。热电偶的常用材料铂铂铹10热电偶（分度号为S），测量温度为长期使用可到1300，短期可到1600；镍镉镍硅热电偶（分度号为B），测量温度为长期可到1000，短期可到1300；镍镉考铜热电偶（分度号为E），测量温度为长期可到600，短期可到800；铂铑30铂铑6热电偶（分度号为B），测量温度为为长期可达1600，短期可达1800ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。224冷端温度及处理由热电偶的工作原理可知，热电偶热电动势的大小不仅与测量端温度有关，而且还与冷端的温度有关，是测量端温度T和冷端温度T0函数。为了保证热电偶输出热电动势是被测温度的单值函数，就必须使热电偶的一个接点的温度保持恒定，而且使用的热电偶分度表中的热电动势值都是在冷端温度为0时给出的，因此如果热电偶的冷端温度不是0，而是其他某一数值，那么即使测得了热电动势的值，仍不能直接查找分度表，急不可能得到测量端的准确温度，会产生测量误差。但热电偶在工业使用时，要使冷端的温度保持为0是比较困难的，通常采用如下温度补偿方法。（1）冰点槽法冰点槽法是在科学实验室中使用的一种方法。为了测量准确，可以把热电偶偶的参比端置于冰水混合物的容器里，保证使T00。这种办法最为妥善，然而不够方便，所以仅限于科学实验使用。为了避免冰水导电引起这两个温度短短路，必须把接点分别置于两个玻璃试管里。浸入同一病槽，是相互绝缘（2）计算修正法在实际使用中，热电偶的冷端温度保持在0比较困难，但将保持在某一恒定温度还是可以做到的。此时，可以采用冷端温度计算修正法实现补偿。根据热电偶中间温度定律，可得热电动势上网计算修正公式（25）0,0,HABABABTETE式中为热电偶实际测得的热电动势；为根据热电偶冷端温度,HABTETH从分度表中查的的热电动势；为热电偶在被测点的温度T，冷端温度为0,AB时的热电动势。（3）补正系数法补正系数法也是一种计算修正法，它是把热电偶冷端的实际温度TH乘以一个因数K（称为补正因数），加到由热电动势查分度表所得的温度上，,HABTE得到的被测温度T。用公式表示为26HKT式中为未知的被测温度；为冷端在室温条件下测得的热电偶电动势与其分度表上对应的某个温度；为室温；为补正因数，不同热电偶或同一热电偶不同HTK值查表所对应的温度补正因数K均不一样ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。,HABTE对于冷端温度补偿方法还有零点迁移法，冷端补偿器法，以及软件处理法。23温度传感器的选择通过以上对温度传感器类型的分析比较，温度传感器大致可分为热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器两类。热电阻温度传感器除具有结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能有来测量流体、固体及固体壁面“点”的温度。微型热电偶还用于快速及动态温度的测量。但是，由于测量范围宽，其测量精度低，在本示例中，因为要求精度高不便采用。而热敏电阻温度传感器，温度系数的范围甚宽，热敏电阻除有正、负温度系数外，还有在某一特定温度区域内阻值突变的热敏电阻元件，可控选择使用。电阻温度系数的绝对值，比金属热电偶大10100倍左右。材料加工容易、性能好，同时精度高固在本示例采用热敏电阻温度传感器。（1）K型热电偶K型热电偶作为一种温度传感器，可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。铠装K型热电偶，测温范围800；精度75|T|；探头长度3CM探头直径4MM；螺纹直径6MM。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。由于汽车尾气的温度一般可达800，在这里，选用K型热电偶。T型热电偶，又称铜康铜热电偶，是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。它的正极（TP）是纯铜，负极（TN）为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬康铜的康铜EN通用，与铁康铜的康铜JN不能通用，尽管它们都叫康铜，铜铜镍热电偶的测量温区为200350ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,特别在2000温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于3V，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制。在汽车尾气流经的特定模块的热端温度可达到350，因此选用T型热电偶。3测量方案设计31整体方案设计对于汽车尾气温度检测，总要是三大部分温度的检测、AD转换和数据传输。温度检测部分通过传感器采集温度，通过变送器将信号转换成能够测量的模拟量；再通过单片机的AD转换功能将模拟量转换成数据量，以方便CAN总线传输。图31整体方案流程如图31所示传感器，将温度等物理量转换成电压信号；变送器，将传感器的信号汽车尾气传感器信号调理前端AD模数转换部分PIC控制核心变送器转换成可测量的电流信号；信号调理前端，位于AD模数转换部分之前，故称“前端”，主要作用是对传感器传过来的信号进行阻抗增强、放大等调理处理，这样更有利于AD转换的正确性；AD模数转换部分，用ADC模数转换芯片来实现，起到模拟信号转换成数字信号的作用，从而传到数字化的PIC控制核心。32温度传感器选型通过以上分析，选用K型热电偶与T型热电偶。如此可完成对汽车尾气的检测和温度模块的检测，实现本实例的基本要求做到很好的指标要求，对本设计的数据测量带来较好的作用。33温度变送器的选型温度变送器是将热电阻或热电阻的信号放大，并转换成420MA或010MA的输出电流，或05V的输出电压，以获得容易检测的模拟量。在本设计中，模块的温度在0350之间,尾气温度700。因此在检测模块温度时，选用隔离式温度变送器HWP401TCT型温度变送器，其基本参数输出信号，420MA；量程，0350T型；精度，2FS；且输入、电源、输出三相隔离。在检测尾气温度时选用隔离式温度变送器HWP401TCK型温度变送器，其基本参数输出信号，420MA；量程，0700K型；精度，2FS；且输入、电源、输出三相隔离ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。34运算放大器的选型运算放大器，简称运放。对于运放的选择，我们一般考虑运放的带宽，供电范围、输入阻抗，输出驱动能力、温漂等方面。鉴于本实例应用中，温度传感器产生的信号是低频信号，且信号电压范围不广，所以，在此选用的运放型号OP07。OP07的性能简介如下，宽电压输入范围14V；宽供电范围3V18V；多种工作温度范围；从民用到军工级。引脚兼容725、108A/308A、741、AD5107。35PIC单片机型号的选型常用的PIC单片机有PIC10、PIC12、PIC16和PIC18系列。根据本实例测温、控制的要求，做到性能够用而不浪费，我们选择PIC16F877作为主控单片机。PIC16F877性能简介如下高性能、RISC（精简指令集）CPU；40个引脚；8位；仅有35个单字指令；可编程的FLASH存储器高达8K14字节；数据RAM高达3688字节；多达14个中断源；可编程的密码保护；低功耗、高速度的CMOSFLASH/EEPROM；仅用2个引脚就能实现的片上调试；宽供电范围，20V55V。一PIC16F87X单片机的核心模块（1）运算器（ALU）和工作寄存器（WREG）运算器（ALU）是一个通用算术。逻辑运算单元，使用它可以对工作寄存器和任何寄存器中的两个数进行算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、异或等）。PIC16F87X是8位单片机，ALU的字长为8位。（2）程序存储器在单片机内存放程序指令的存储器称为程序存储器。PIC16F87X的所有指令字长为14位，所以程序存储器的各存储单元是14位宽。一个存储单元存放一条指令。PIC16F87X的程序存储器的存储容量为2KB8KB不等，这些程序存储器是由膳宿存储器构成的，程序存储器有程序计数器PC寻址。PIC16F87X的程序计数器为13位宽，可寻址为13位宽，可寻址为8KB的程序存储单元。（3）状态存储器状态存储器又称标志寄存器，用来反映某一逻辑运算或操作结果的特征，例如是否产生近位或错位，以及结果是否为0等，他常用来配合跳转指令来使用。（4）数据存储器数据存储器包括通用存储器和特俗功能寄存器两种，用于存储CPU运算过程中产生的中间数据，既可以读出也可以写入，除此之外，PIC单片机还可以提供了功能灵活的各种面向位的操作方法，可直接对数据存储器进行进位测试、置位、位移等。（5）间接寻址寄存器INDF和FSR间接寻址寄存器INDF和FSR位于PIC数据存储器的顶端，地址00单元单元的间接寻址寄存器INDF是一个空的寄存器，它只有地址码，在物理上不是一个真正的寄存器。它的功能常常与寄存器FSR配合工作，实现间接寻址的目的。除此以外，还有上电延时，起振延时、上电复位、看门狗、欠压复位、低压编程等附加电路，他们主要起到电路保护、方便调试、优化运行等作用，以提高运行的可靠性可可操作性ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。根据本实例测温、控制的要求，做到性能够用而不浪费，我们选用PIC16F877作为主控单片机。PIC16F877性能如下高性能、RISCCPU；40个引脚；8位；仅有35个单子指令；可编程的FLASH存储器高达8K14字节；数据RAM高达3688字节；EEPROM数据存储器高达256K8字节；多达14个中断源；可编程的密码保护；低功耗、高速度的CMOSFLASH/EEPROM；仅用2个引脚就能实现片上调试；宽供电范围20V55V。二PIC16F877的引脚功能图图32PIC16F877/874PDIP封装根据引脚功能的不同可将引脚分为以下几类1供电引脚PIC单片机的工作电压为20V55V，VDD接电源“”端，VSS接电源“”端，芯片上一般有两个VDD和VSS引脚。2振荡器输入/输出引脚PIC单片机可采用3种不同的振荡器方式。第一，采用晶振或陶瓷谐振器，将一晶振或陶瓷谐振器连接到单片机的OSC1/CLKIN和OSC2/CLKIN引脚上，以建立振荡；第二，除了外部振荡信号从OSC1端输入，OSC2端开路；第三，还可以使用RC振荡器，该振荡器适合对时间精度要求不高的应用。3硬件复位引脚PIC单片机除了可以实现软件复位之外，还可以通过MCLR引脚接收外部电路的复位信号，产生硬件的复位，此外，在编程时，还可以用编程电压输入端ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。36ADC的选型ADC模数转换器，可以选用单片机内置的，也可以使用外接的ADC器件。在上一小节中，我们选定PIC16F877作为主控单片机，所以，可以方便使用PIC16F877上自带的AD转换通道来实现模数转换，从而节省了外接ADC器件，达到节约成本的目的。PIC16F877中ADC模块的性能如下10位分辨率；多通道（28个引脚的PIC16F877有5个AD输入，而40个引脚的有8个AD输入通道）；单片机处于休眠状态时，ADC模块也可以运行。模拟输入采集是任何十字系统必不可少的组成部分，是对模拟信号进行数字信号处理的第一步，其采集精度直接影响到系统精度。本例采用PIC16F877单片机的ADC模块对输入的模拟信号试试采样后，对采集到的电压进行判断，并转换成数字信号传递。ADC模块的相关的有关寄存器介绍ADC模块专用的有4个完整的寄存器ADC结果高字节寄存器ADRESH；ADC结果低字节寄存器ADRESL；0号ADC控制寄存器ADCON0；1号ADC控制寄存器ADCON1。表1ADCON0BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0ADCS1ADCS0CHS2CHS1CHS0GO/DONEADONADC控制寄存器为ADCON0，ADCON0的各位如上表所示。用于控制ADC的操作，是一个7BIT可读/写的寄存器。各位的含义如下ADCS1ADCS0，A/D转换时钟及其频率选择位00选择系统时钟，频率位FOSC/2；01选择系统时钟，频率位FOSC/8；10选择系统时钟，频率位FOSC/32；11选择自带阻容（RC）振荡器，频率FRCCHS2CHS0，A/D转换模拟通道选择位000选择通道0，RA0/AN0；001选择通道1，RA1/AN1；010选择通道2，RA2/AN2；011选择通道3，RA3/AN3；100选择通道4，RA4/AN4；101选择通道5，RA5/AN5；011选择通道6，RA6/AN6；111选择通道7，RA7/AN7。选择公共通道与哪一个模拟输入段接通。其中AN5AN7通道只有40脚封装的型号才具备。GO/DONEA/D转换启动控制位兼做状态位。在ADCON11的前提下1启动A/D转换过程或表明A/D转换正在进行；0A/D转换已经完成（自动清0）或表示未进行A/D转换。ADONA/D转换器开关位1启用ADC，令其进入工作状态；0关闭ADC，令其退出工作状态，可以不消耗电流。表2ADCON1BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0ADFMPCFG3PCFG2PCFG1PCFG0ADC控制寄存器1为ADCON1，ADCON1的各位如表2所示。ADCON1主要用于控制相关引脚的功能选择，对于RA和RE端口的各条引脚进行设置，它们可以被设置成模拟输入、参考电压输入或通用数字I/O引脚。只有ADCON1寄存器的最高位和低4位是可以读/写的。PCFG3PCFG0A/D转换引脚功能选择位，其含义解释如表4所示。举一个简单例子，当PCFG3PCFG01100,RE2RE0定义为通用数字I/O引脚，RA5、RA1和RA0定义为模拟通道AN4、A