热电偶线性化 (95分).doc

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题 目：热电偶线性化学生姓名：xxx学 号：0867112xxx专 业：测控技术与仪器班 级：2008指导教师：xxx 摘要温度在工业生产中是用的最多的热工量。热电偶作为一种接触式温度传感器由于其结构简单，测温范围宽，精度高等优点，所以在工业温度测量中广泛应用。由于热电偶产生的热电势与测量端、冷端的温度均有关，所以测量时应将冷端温度保持恒定。热电偶的温度与热电势曲线是冷端零度时测得的，是非线性曲线。因此要进行线性化处理。本设计以stc89c52rc单片机为核心，由热电偶测量热端温度t，经过放大电路处理后通过adc0832进行模数转换， 再由单片机进行线性化和标度变换处理，最后由led显示测量温度。该设计的软件由c51语言编写。关键词：热电偶；a/d转换器；单片机；线性化；led显示目录摘要i目录ii前言11.1 热电偶测温原理11.2 冷端温度补偿11.3 线性化和标度变换2第2章总体设计方案3第3章硬件设计53.1热电偶温度传感器53.2 放大电路53.3 a/d转换63.4 led显示83.5 单片机stc89c52rc9第4章软件设计114.1 标度变化子程序114.2 a/d转换子程序134.3led显示子程序134.4 报警14总结15参考文献16附录a17附录 b23ii前言热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件，它可以用来检测-2001600的温度，在特殊情况下，可测2800的高温或4k的低温，是目前工业生产中应用最为广泛的接触式测温元件。1.1 热电偶测温原理图1.1 热电偶示意图热电偶测温是基于热电效应。在两种不同材质的导体a和b组成的闭合回路中，如果两个接点的温度不同，则回路中将产生电流，这种现象称为热电效应。热电偶回路所产生的热电势由两种导体的接触电势eab(t)和单一导体的温差电势ea(t,t0)和eb(t,t0)两部分组成。因为金属导体中自由电子数目很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以，在同一金属导体内，温差电势很小，可以忽略。因此，回路总的热电势可以近似表示为：eab(t,t0)=eab(t)-eab(t0) 。当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小仅与热电偶材料的成分和热、冷端的温差有关。测温时，利用热电势与冷热端温差之间的函数关系，通过测量回路中产生的热电势大小，即可得知相对于冷端温度的热端温度。1.2 冷端温度补偿由热电偶测温原理可知，只有热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际使用时，由于热电偶的热端与冷端离的很近，冷端又暴露在空气中，容易受到环境温度的影响，很难保持恒定。而且，在工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表都是根据冷端温度为0而制作的。因此必须进行冷端温度补偿热电偶测温时，冷端温度必须为0，否则将产生测量误差，当冷端温度波动较大是，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度相对稳定的环境，然后再将冷端处理为0。补偿导线分为延长型和补偿型两种。采用补偿导线一方面可以改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能；另外还可以降低线路的成本，节约热电偶材料。常见的冷端温度补偿方法有：冰点法、恒温迁移法、计算修正法、电桥补偿法、软件补偿法等。冰点法是将补偿导线的末端放入冰水混合物或零度恒温容器中，该方法原理简单，但冰水混合物的制作、维护麻烦，而且零度恒温容器容量又小。因此，这种方法多用于实验室。恒温迁移法是根据补偿导线末端所处环境温度估计之的大小，人为将显示或记录仪表的零点调试调到该值。计算修正法是基于中间温度定律，即eab(t,0)=eab(t,t0)+eab(t0,0)通过从分度表中查得eab(t0,0)，将此值与测量值eab(t,t0)相加，即得eab(t,0)，再反查分度表即可求出热电偶热端温度t。电桥补偿法是通过选择合适的补偿电桥参数，使电桥产生的输出电压正好补偿冷端温度t0而引起的热电势eab(t0,0)，从而消除了冷端温度测量结果的影响，实现了冷端温度补偿。软件补偿法是热电偶和冷端温度传感器的输出信号分别被调理成05v的电压并经多路模拟开关选择其中之一送往a/d转换器，数字化后再由单片机内程序进行冷端补偿处理，这样可将温度的检测精度大大提高。而且，对于不同分度的热电偶，只要改变内数据转换表即可，系统的适应性大大增强，使用方便。1.3 线性化和标度变换在使用热电偶测温时，热电偶产生的热电势与所测的温度是非线性函数关系，因此必须对热电偶的热电势进行线性化处理，使得热电偶的热电势与被测温度之间成线性关系。因为热电势与温度的量纲不同，热电偶把现场采集来得温度信号经过放大、a/d转换器转换成数字量，单片机读入这个数据后必须转换成量纲为的温度值，才能送到显示器进行显示。因为热电偶测出的数据与实际的参数不是线性关系，而且很难用一个简单的公式表达，因此，通常采用线性插值法进行线性化及标度变化。环境温度t经过热电偶测量、冷端温度补偿后输出一个热电势信号et(mv)，热电势信号经过放大器后输出05的电压信号u，再经a/d转换输出数字信号n。第2章总体设计方案温度信号的检测和控制，除了采用有源元件外，热电偶是一种常用的元件。热电偶有着广泛的应用，应用的较多的有s、b、k、t、e型热电偶。热电偶检测的温度信号有如下特点：1) 能用到高温的热电偶，信号都小，都是mv级别的。因此要对检测到的温度信号进行放大处理。2) 热电偶分度表中给出的数据是以0为参考点的。实际应用是环境温度常常不是0。因此使用时必须要进行冷端温度补偿。3) 热电偶的温度信号非线性很大，尤其是b型热电偶。并且，各种热电偶随温度的升高，在某一温度下，热电势的增加量变小。这就需要对经过放大的热电势进行线性化处理。如图2.1所示是热电偶线性化及led显示的组成控制系统。该系统硬件结构由热电偶、冷端温度补偿、放大器、a/d转换器、单片机和led显示器组成。热电偶测温是产生的热电动势经冷端温度补偿后，输出mv信号，经过放大器放大后，在adc0832做a/d转换并做线性化处理，得到数字信号在单片机的控制作用下在led显示。图 2.1 热电偶显示系统的组成根据以上的硬件设计，下面图2.2是热电偶线性化的软件设计。图2.2 主程序流程第3章硬件设计3.1热电偶温度传感器本设计选用铂铑30铂铑6（b型）热电偶，次热电偶是贵金属热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。b型热电偶具有准确度高、稳定性好、测温区宽、使用寿命长等优点，适用于氧化和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽气氛中。它还有一个明显的优点是不需要进行冷端温度补偿，因为在050范围内其热电动势小于3v。b型热电偶的不足之处是热电动势率较小、灵敏度低、高温下机械强度下降、抗污染能力差、金属材料昂贵、一次性投资大。3.2 放大电路通常热电偶的输出都是比较微弱的小信号，需要对这个信号进行放大处理。用单个运放组成的基本放大器综合性能指标一般都不高，只能用在要求不高，条件太恶劣的场合。当它们的性能不能满足应用要求时，可以使用仪用放大器。仪用放大器是一种精密的差动电压增益器件，它的特点是：放大电路的输入阻抗和共模抑制比高、误差小、稳定性好。放大增益可由用户选择电阻来设定。它的主要用途是作传感器信号的放大，或作差动小信号的前置放大。其电路原理图如图3.2所示;图3.1 仪用放大电路3.3 a/d转换在数据采集系统中，模数转换器都是至关重要的环节，模数转换器的精度以及系统的成本直接影响到系统的实用性。本设计采用adc0832进行模数转换。adc0832使用采样-数据-比较器的结构，采用逐次逼近方式进行转换。根据多路器的软件配置，单端输人方式下，要转换的输人电压连到一个输人端和地端;差分输入方式下，要转换的输人电压连到一个输入端和另一输入端。adc0832的两输入端可以分配为正极(+)或负极(-)，可以由多路器进行软件配置。但是要注意的是，当连到分配为正端的输入电压低于分配为负端的输人电压时，转换结果为全0。通过和控制处理器相连的串行数据链路传送控制命令，用软件对通道选择和输入端的配置。串行通信格式在不增加封装大小的情况下，可以在转换器中包含更多的功能。另外，可把转换器和模拟传感器放在一起，和远端的控制处理器串行通信，而不用进行低电平的模拟信号的远程传送。这样的处理使返回到处理器的是无噪声的数字数据，避免了模拟信号远传中的干扰。图3.2a/d转换adc0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率，双通道转换芯片。由于以下特点而深受欢迎。1) 8位分辨率；2) 双通道a/d转换；3) 输入输出电平与ttl/cmos相兼容；4) 5v电源供电是输入电压在05v之间；5) 工作频率为250khz，转换时间为32s；6) 一般功耗仅为15mw；adc芯片接口说明：l cs片选使能，低电平芯片使能。l ch0模拟输入通道0。l ch1模拟输入通道1。l gnd芯片参考0电位。l di数据信号输入，选择通道控制。l do数据信号输出，转换数据输出。l clk芯片始终输入。l vcc/ref电源输入及参考电压输入。adc0832的工作时序：图 3.3 adc0832工作时序当cs由高变低时，选中adc0832。在时钟的上升沿，di端的数据移入adc0832内部的多路地址移位寄存器。在第一个时钟期间，di为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位。当输入启动位和配置位后，选通输入模拟通道，转换开始。转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。adc0832接着在第4个时钟下降沿输出转换数据。数据输出时先输出最高位(d7d0)；输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据(d7d0)，两次发送的最低位共用。当片选cs为高时，内部所有寄存器清0，输出变为高阻态。如果要再进行一次模/数转换， 片选cs必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位。图 3.4 单片机与adc0832的接口如图3.4所示为单片机串行口方式0与adc0832的接口，单片机p2.0 接adc0832的cs，txd作为时钟信号输出端，rxd作为启动位、配置位的发送端以及a/d转换后输出数据的接受端。由于adc0832在cs变低后的前3个周期内，do为高阻态；转换开始后，di线禁止，因此，di端和do端可连接在一起。3.4 led显示本设计采用led164实现数据传送和led的静态显示。每接一片74ls164可扩展一个八段数码管。其硬件连线如图3.6所示。74ls164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出，并带有清除端。其中qaqh是并行输出端，a和b是串行输入端，clr是清除端，clk是时钟脉冲输出端。数据通过两个输入端（a 或 b）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。 时钟 (clk) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 q0 ，q0 是两个数据输入端（a和 b）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 主复位 (clr) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。p1.2用于控制led开、关显示，p1.0用于逐位输出数据，p1.1通过置位、复位的方式同步地送出移位脉冲。表 3.1 led数码管段码位字符0123456789段码0xfc0x600xda0xf20x660xb60xbe0xe00xfe0xf6图3.5 led显示3.5 单片机stc89c52rc本设计采用stc89c52单片机。它是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。具有以下标准功能： 8k字节flash，512字节ram， 32 位i/o 口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 stc89x52 可降至0hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35mhz，6t/12t可选。下表所示为p口地址：表3.2 p口地址mnemonicadd76543210p080hp0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2p0.1p0.0p190hp1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2p1.1p1.0p2a0hp2.7p2.6p2.5p2.4p2.3p2.2p2.1p2.0p0口接8个led灯，p1.0接74ls164的a或b，p1.1接74ls164的clk。表 3.3 单片机引脚功能引脚名称功能int1/int0外中断1/0输入端t1/t0定时/计数的外部输入端x1片内晶振电路反向放大器输入端，x2片内晶振电路反向放大器输出端/外部数据存储器写选通信号，低电平有效外部数据存储器读选通信号，低电平有效rxd串行数据接收端txd串行数据发送端外部程序存储器选择信号，低电平有效；在复位期间cpu检测并锁存引脚的电平状态，当读引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器pc超出片内程序存储器地址编码范围时，才转到外部程序存储器中取指令；当该引脚位低电平时，一律从外部程序存储器中取指令。reset复位信号输入端，高电平有效psen外部程序存储器读选通信号，低电平有效ale低8位地址锁存信号，在访问外部程序存储器时，ale下降沿锁存从p0口输出的低8位地址信息a7a0,以便随后将p0口作为数据总线使用；在正常情况下，ale输出信号为1/6振荡频率，并可用作外部时钟或定时信号第4章软件设计4.1 标度变化子程序首先，根据分度表确定b型热电偶线性化转折点表 4.1 b型热电偶线性化转折点t()e(mv)u(v)nt000.00000t12000.1780.105t24000.7870.4422t36001.7921.0051t48003.1541.7690t510004.8342.70138t612006.7863.79193t714008.9565.00255根据转折点，可以把热电偶热电势与温度所对应的数字量用如图所示的曲线来取代。图4.1 转折点坐标由图4.1可知两个转折点之间温度与数字量是线性关系，其关系为：变换后得：令，上式变为：编程时事先将转折点坐标（niti）存入ram中，a/d转换器输出的数字量nx与存入ram中的ni 比较，确定温度与a/d输出数字量的线性关系。首先，采样值经工程量转换后，通过比较来取得该电势值落于热电偶温度电势分度表中哪一段。然后用相应的函数表达式求出相应的温度。其流程图如图4.2所示。图4.2标度变换流程图4.2 a/d转换子程序adc0832输出的串行数据共5位，由两段8位数据组成，前一段是最高位在先，后一段是最高位在后，两段数据的最低位共用。只有在时钟的下降沿，adc0832的串行数据才移出一位。由单片机控制时钟信号的发送，并由txd发出，以达到控制adc0832输出数据位的目的。为了得到一列完整的8位数据，单片机分两次采集含有不同位的数据，再合成一列完整的8位数据。24图 4.3 a/d转换子程序4.3led显示子程序移位寄存器74ls164仅有串入并出作用没有译码功能。因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的led段选码，然后由stc89c52rd的p0.0口送入74ls164的串行输入端，再并行输出到led的段选段。电路中设计了4位led显示器，其功能为：从上至下分别为千位数、百位数、十位数和个位数。如图所示为显示子程序流程图：图 4.4led显示子程序4.4 报警图 4.5 报警子程序 总结本次我们在老师的指导下完成了对热电偶线性化的设计。通过这次设计我们学到了很多知识，同时熟悉了keil uvision3、protel等工具软件，并能够按照设计要求自己设计硬件电路、编写程序、调试程序等。在整个设计的环节当中，主处理器选用的芯片是stc89c52rc,a/d转换部分选用的芯片是adc0832，它接收的模拟信号来自热电偶的输出值（因为实验板上没有热电偶，所以用电位器来代替）将0-5v的模拟量转换成0-255的数字量。而相对硬件设计而言，对它软件的设计是一个比较复杂的过程。按照设计的要求，整个程序的设计和编写分别将a/d转换、线性化标度变换和led显示部分的程序进行模块化编程，在对这些程序模块以子程序调用的方式进行整体化，进而实现设计的要求。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关智能仪器方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。参考文献1 梁明亮，王新强.单片机与adc0832的接口技术j.信息技术.2006(8):48-49.2 梁明亮，韦成杰.单片机对串行a/d转换器adc0832的c51编程j.郑州铁路职业技术学院学报.2009(3):36-37.3 郑国君.8位串行a/d转换器adc0832j.电子世界.2002(9):44-45.4 杜洋.a/d转换芯片adc0832的应用j.电子制作.2006(1).5 王德华，庞富胜.占用单片机口线最少的led静态显示电路j.电测与仪表.1995(9):33-34.6 林敏，于忠得，舒奎.74ls164在2051单片机led显示电路中的应用j.大连轻工业学院学报.2001(6):123-125.附录a源程序#include#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit clk_adc0832=p36; /ad芯片引脚sbit di_adc0832=p37;sbit do_adc0832=p37;sbit cs_adc0832=p20;sbit led_0=p00;sbit fmq=p17;/蜂鸣器sbit led_clr=p12; /74ls164引脚sbit led_clk=p11; sbit led_dat=p10; /74164数据输入端uchar code tab=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0x00;/09的二进制码uint code s=0,200,400,600,800,1000,1200,1400; /温度转折点uchar code n=0,5,22,51,90,138,193,255; /转折点对应的二进制码/*延时1毫秒*/void delay1ms(uint ms) uchar x; while(ms-) for(x = 0;x200;x+) _nop_() ;/1us _nop_() ; _nop_() ; _nop_() ; _nop_() ; void sendbyte(uchar byte) uchar num,c; num=tabbyte; for(c=0;c=1;/将八位数据在每个上升沿后，自动右移一位，目的是将八位数据按位发送 /*led显示*/void display_led(uint pv) uchar g,s,b,q,i; if(pv1000)q=10;/如果温度不够1000，则千位不显示b=pv%1000/100; s=pv%1000%100/10; g=pv%10;else q=pv/1000;/计算千位数 b=pv%1000/100;/计算百位数 s=pv%1000%100/10;/计算十位数 g=pv%10;/计算个位数for(i=0;i=1300)led_0=0;sendbyte(10);sendbyte(10);sendbyte(10);sendbyte(10);delay1ms(50); sendbyte(q);/发送第四位led数码管的显示数据 sendbyte(b);/发送第三位led数码管的显示数据 sendbyte(s);/发送第二位led数码管的显示数据 sendbyte(g);/发送第一位led数码管的显示数据 delay1ms(50);/延时 100 ms else sendbyte(q);/发送第四位led数码管的显示数据