基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制.doc

基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制摘要 科学的发展，往往是由于新的观测手段的发现而获得的。从今天进入信息时代来看，仪器仪表是实现信息的获得、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具，是当今普遍称之为时代标志的信息科技的三大支柱(信息获得与处理，信息传输与通信，电子技术及计算机)的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。在现代化建设中，人们对仪器仪表因其对产品质量所起到的监测作用，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，进行技术改造，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，仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。 热电偶是计量技术中最常用的温度传感器，它的应用在生产技术和测量科学上曾引起跨时代的变革。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广。目前在大量的热工仪表中，热电偶作为温度传感器，已经得到了广泛的使用。 本文介绍的多功能温度测量仪是以MCS-51单片机系统和传统的温度检测元件一热电偶相结合的温度测量系统，本仪器的数学模型和测量原理简单，选用精密测量元器件和抗干扰、低温漂的精密电子元件，系统设计中充分考虑了EMC(电磁兼容)问题。该测量仪器的特点是:使用简便;测量稳定、可靠;测温范围大;使用对象广。 本文介绍了该测量仪的研制，包括温度传感器、单片机接口及其应用软件，其主要内容如下:1、介绍了国内外温度检测技术和特种测温一钢水温度检测的发展现状，以及温度 检测技术的未来发展方向。2、根据实际测量要求制定出一次仪表一传感器的选择、使用和安装方案，并且解 决了热电偶测量过程中存在的冷端温度不为0的传统问题。3、根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、 温度值的实时显示和存储以及和上位机的通讯等。4、设计了和硬件配套的软件，采用了热电偶测温的通用查表法，该方法很好地解决了热电偶热电势与温度值之间非线性的问题。Development of Multifunctional Temperature Measurement Instrument According to the MCU System Abstract The development of science because that a new observed means was beenacquired. Now, we have entered the age of information, instrument has become thenecessary tool to acquire, convert, access and handle information. It has been a tool toopen out the regulation of material moving, too. In addition, people call it as thenecessary tool of the three major supports of the sign of ages of the information science.Instrument is also a important content of new technique revolution. In the course ofmodern construct, people have a further order to the instrument that has monitorfunction to the product quality. As a result, instrument can promote the technique ofnational economy, carrying on the technique reformation, enlarging productivity andsocial economic benefit, developing the leading industry of economizing the energy andmaterial. In a large extend, the level of instrument appearance reflects the level ofscience and technique and the level of productivity of a country. The thermocouple isthe most common appearance in the field of measure temperature. Its application hascaused the changes of spanning centuries in the technique of product and measurescience. Thermocouple is simple, easy been manufactured, cheap, high precise and widescope of measuring. Currently, thermocouple has been widely used in the many hotwork appearances. The Multifunctional Temperature Measurement Instrument introduced in the thesiswas developed by conbining a MCS-51 8-bit microcontroller system and a conventionaltemperature measurement component-thermocouple. The mathematic model andmeasurement principle for the instrument are very simple. In the design of theinstrument, the electronic components with the features of disturbance resistance, lowtemperature drift and high precision were used. And during system designing and PCBdesigning, EMC was well regarded. The instrument has the characteristics of simpleoperation, reliable performance, wide measurement range and various application fields. In the thesis, the development of the instrument is introduced, with the design ofthe temperature sensors, the interface circuits in the microcontroller system and thesoftware included. The main content of the thesis is as follows: (1) A summary is presented about the present situation of the temperature measurement technique and the special one-the one used to measure the temperature of molten steel as well as the development trend of the technique in the future. (2) The plan was drawn up for selecting, using and setting the temperature sensor according to the practical measurement demands. In addition, the problem that the temperature of the reference end of the thermocouple is not 00C in measurement has been solved. (3) According to the application demands, a hardware system of microcontroller was designed. It can realize data acquisition, timely displaying and storage of the value of the measured temperature, communication with an upper computer and so on. (4) The corresponding software was designed. A general method by checking table, which is used to measure temperature by thermocouple, was put forward. The problem of the non-linear relation between the thermo-emf and the temperature value of a thermocouple can be satisfactorily solved by the method. (5) The measurement errors of the instrument were analyzed by experiment.Key wordstemperature measurement, thermocouple,the temperature of the referenced end of thermocouple,microcontroller intelligentiztion目 录题目. . . .I摘要.IIABSTRACT. . . . .IV目录. . . .VI第1章绪论. .1 1.1引言.1 1.2国内外测温状况.1 1.2.1利用物体热胀冷缩原理制成的温度计.1 1.2.2利用热电效应技术制成的温度检测元件.2 1.2.3利用热阻效应技术制成的温度计.2 1.2.4利用热辐射原理制成的高温计.3 1.2.5利用声学原理进行温度测量.3 1.2.6利用红外测技术温.3 1.3国内外仪器仪表发展状况.4 1.3.1模拟式仪器仪表.4 1.3.2数字式仪器仪表.4 1.3.3智能化仪器仪表.4 1.4正在研究的温度检测技术.5 1.4.1晶体管温度检测元件.5 1.4.2集成电路温度检测元件.5 1.4.3核磁共振温度检测器.5 1.4.4热噪声温度检测器.5 1.4.5石英晶体温度检测器.5 1.4.6光纤温度检测器.6 1.4.7激光温度检测器.6 1.4.8微波温度检测器.6 1.4.9纯贵金属热电偶的研究.6 1.4.10信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表.6 1.5国内外钢水温度检测方法.7 1.5.1间断法钢水温度测量.7 1.5.2钢水连续测温.9 1.6课题研究背景及本文主要内容.9第2章热电偶测温的基本原理. .11 2.1方案的提出.11 2.2热电偶测温的基本原理.11 2.3热电偶闭合回路的总热电动势.12 2.4数据采集部分的设计.13 2.4.1热电偶的种类.13 2.4.2热电偶类型的选择.14 2.4.3补偿导线的选择.15 2.4.4热电偶的冷端补偿.17 2.4.5绝缘物与保护管的选择.19第3章多功能温度测量仪的硬件设计.22 3.1系统总体设计.22 3.2单片机介绍.22 3.3信号输入部分设计.24 3.3.1信号输入部分总体设计.24 3.3.2芯片选用及电路连接.25 3.4单片机系统及其扩展I/O口的设计.29 3.4.1地址锁存器.30 3.4.2程序存储器扩展.30 3.4.3数据存储器扩展.31 3.4.4可编程并行I/O接口器件的扩展.31 3.5键盘、显示器的设计.36 3.5.1键盘.36 3.5.2显示器.38 3.5.3 LED的工作原理.38 3.5.4 8279键盘显示接口芯片.39 3.6通讯电路设计.41 3.7时钟日历电路设计.43 3.7.1 DS1302简介.43 3.7.2 DS1302与80C31的接口.43 3.8模拟信号输出电路设计.44 3.8.1信号输出部分总体设计.44 3.8.2芯片的选择.44第4章多功能温度测量仪的软件设计.48 4.1系统软件总体设计.48 4.2主程序设计.49 4.3数据采集子程序设计.50 4.4数据处理程序设计.51 4.4.1数据滤波子程序设计.51 4.4.2非线性参数标度变换子程序设计.52 4.4.3线性插值子程序设计.54 4.5输出控制子程序设计.55 4.6键盘和显示子程序设计.56 4.7串行通讯程序设计.59 4.8时钟日历程序设计.60第5章误差分析.62 5.1热电偶带来的测量误差.62 5.2单片机系统带来的误差.64第6章结论与展望.66 6.1结论.66 6.2展望.66参考文献.68致谢. . .70第1章绪论1.1 引言 “工欲善其事，必先利其器”，这是中国的一句古话，人们早就知道工具的重要性。随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表作用的认识愈加深入。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。而温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量和温度测量技术的研究也是一个重要的研究课题。 在冶金、化工、电力、机械和食品生产中都需要对温度进行测量和控制。尤其是在炼钢的过程中，温度更是一个至关重要的参数，它直接关系到一炉钢铁能否练成，以及钢铁的内部质量的好坏。因此，合理的钢水温度范围以及准确地测量生产过程中的钢水温度对提高产品的质量、产量，降低消耗和实现冶金自动化，均有积极作用。测量钢水温度的检测环境极为恶劣，尤其是转炉过程中，钢铁在融化状态下，温度可达1500-1700摄氏度，有时甚至超过1750摄氏度。而且在测量的过程中，钢水液面不断的激烈搅动，强烈冲刷传感器，这些都对钢水温度的测量产生了强大的干扰。因此，在类似于钢水温度测量的特种温度测量的场合中，对传感器和测量仪表都有严格的特殊要求。1.2国内外测温状况 随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也不断地进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法201.2.1利用物体热胀冷缩原理制成的温度计利用此原理制成的温度计大致分成三大类:(1)玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质(水银、酒精、甲苯、煤 油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的; (2)双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的 双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两 种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针 指示出相应温度; (3)压力式温度计，它是由感温物质(氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低 沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化，压力发生相应变化，用弹 簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。1.2.2利用热电效应技术制成的温度检测元件 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种: (1)镍铬一镍硅，型号为WRN，分度号为K，测温范围0-900 0C，短期可测 1200 0C。 (2)镍铬一康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围。-600 0C，短期可测800 。 (3)铂锗一铂，型号为WRP，分度号为S，在1300以下的温度可长期使用， 短期可测1600 0C。 (4)铂锗30一铂锗6，型号为WRR，分度号为B，测温范围300-16000C，短期 可测1800 0C。 其他还有非常用的热电偶。1.2.3利用热阻效应技术制成的温度计 用此技术制成的温度计大致可分成以下几种: (1)电阻测温元件，它是利用感温元件(导体)的电阻随温度变化的性质，将 电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有 铂热电阻(分度号为Pt100, Pt10两种)和铜热电阻(分度号有Cu50, Cu100 两种)。 (2)导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大副温度系数， 也就是说温度升高时，其阻值降低。他们的关系为 式中R:一在温度T(K)时的电阻值(Q); 气一在温度To(K)时的电阻值(Q); e一自然对数的底，等于2.781二; B一常数，其值与半导体材料的成分和制作方法有关。(3)陶瓷热敏元件 它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热 敏元件，常称为PCT或NCI热敏元件。PCT热敏元件分为突变型及缓变 型二类。突变型PCT，元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突 然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型PCI，元件的温阻特性 基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。NCI，元件特性与PCT 元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。1.2.4利用热辐射原理制成的高温计 辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些，热辐射高温计通常分为两种:一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计;另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。1.2.5利用声学原理进行温度测量 声学法温度检测技术是近年来发展起来的一项新技术，利用该技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。声学温度检测技术的基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。1.2.6利用红外测技术温 红外测温技术是通过检测物体表面能量来检测物体温度的。1.3国内外仪器仪表发展状况 科学的发展，往往是由于新的观测手段的发现而获得的。从今天进入信息时代来看，仪器仪表是实现信息的获得、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具，是当今普遍称之为时代标志的信息科技的三大支柱(信息获得与处理，信息传输与通信，电子技术及计算机)的必要手段，也是新技术革命的一项重要内容。在现代化建设中，人们对仪器仪表因其对产品质量所起到的监测作用，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，进行技术改造，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，仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力的发展和科学技术的现代化水平。 根据仪器仪表所采用的显示方式和功能，可以将仪器仪表分为三代产品，即模拟仪器仪表，数字式仪器仪表和智能化仪器仪表。1.3.1模拟式仪器仪表 这种仪器仪表至今仍在各种场合被广泛地使用着。这种仪器仪表显示部分地 基本结构是利用电磁力相互作用原理，通过指针相对于标尺的位移来显示最 终测量读数。1.3.2数字式仪器仪表 它具有远较模拟式仪器仪表为高的测量精度与响应速度。这类仪器仪表的基 本原理在于将代测的信号转化数字信号进行测量。今天数字化仪表的增长速 度己远远超过模拟式仪器仪表。1.3.3智能化仪器仪表 这类仪器仪表大致可以分为两类:一类内含微处理器，称为“微机化仪表”， 另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进 行数据采集与处理，成为智能化仪器。智能仪器仪表以微电子器件代替常规 电子线路，以微处理器为核心，具有信息采集，显示，处理，传输及优化控 制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。智能化仪器仪表 一出现就显示了它的强大生命力，现已成为80年代来仪器仪表发展的一个主 要方向。1.4正在研究的温度检测技术 近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。1.4.1晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大1 -2个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。1.4.2集成电路温度检测元件 利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系(即半导体PN结的温度特性)进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行了生产。1.4.3核磁共振温度检测器 所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。1.4.4热噪声温度检测器 它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点是: (a)输出噪声电压大小与温度是比例关系; 伪)不受压力影响; (e)感温元件的阻值几乎不影响测量精确度; 所以它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。1.4.5石英晶体温度检测器 它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。它利用uP技术，自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到0.001，所以可作标准检测之用。1.4.6光纤温度检测器 在常规办法无法测量的场合，光纤测温得到较快发展。光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。 (1)利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤 温度检测器，检测精度在士1以内，测温范围可以从绝对0-20000C a (2)利用喇曼反向散射效应测量温度分布用以检测埋于地下的油、气管线的泄 漏。 (3)利用荧光衰减时间法测温。1.4.7激光温度检测器 激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用氦氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达1%;用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达30000C，专门用于核聚