热电偶设计.doc

电气测试技术课程设计成绩评定表姓 名XXX性别 X学号XXXXXXXX专业、班级XXXXXXXXXXXXXX XXXXX课程设计题目：热电偶测温系统的设计课程设计内容提要摘要：温度测量是测量领域最重要的功能之一，频繁应用于气象观测、环境研究、实验室以及其他各种生产过程。在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面，温度测量是基础且十分重要。因此，本文将描述工业领域温度测量中广泛使用的温度传感器热电偶及其冷端补偿等相关知识。本设计是以热电偶传感器为基础的测温系统，经过单芯片来完成信号的放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，大大简化了该系统的设计，它的输出温度范围为01024，单片机得到温度后，通过四位独立数码管显示出来。关键词：单片机 热电偶 MAX6675 成绩评定依据考核指标分值得分学习态度和纪律性20设计分析合理性20设计可行性和创造性20设计结果正确性20设计报告的规范性20总分成绩评定成绩： 指导教师（签章）： 2011年7月 15日18目 录1 课程设计任务书12 概述22.1 系统组成框图22.2 MQ-2气体传感器原理及特性23 热电偶传感器测温系统的单元电路介绍43.1 单片机的介绍43.2 热电偶传感器选型及介绍53.3 信号处理模块分析63.3.1 Max6675工作原理63.3.2 热电偶传感器的性能分析83.4 系统显示电路介绍93.4.1 74HC595的介绍93.4.2 数码管介绍104 基于热电偶传感器的硬件电路设计114.1 测温电路的设计114.2 显示电路的设计115 基于热电偶传感器测温系统的软件设计135.1 软件流程图135.2 C语言程序135.3 软件仿真16总结与展望17参考文献181 课程设计任务书作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一 热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-401800范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。本课题采用的是系统硬件原理框图如图1-1：一、主要内容利用热电偶传感器设计以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发热电偶测温的系统。二、基本要求1实现基本功能：测量、显示、存储、报警、通讯。2画出相应的测量电路及推导计算温度的公式。3选定所需元器件，写出型号规格。4完成3000字设计报告。三、主要技术指标（或研究方法）1装置供电电压 220V2测量温度范围：-208003性能可靠，操作简便。4明确提高精度和抗干扰能力的措施。2 概述2.1 系统组成框图作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一 热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-401800范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。本课题采用的是以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发热电偶测温的系统。系统硬件原理框图如图1-1：单片机四位数码管显示电路热电偶传感器信号处理图2-1系统框图系统框图如图1-1所示，热电偶传感器采集到温度信号传送给信号处理模块，信号处理由Max6675单芯片构成，它是Maxim公司新近推出的一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。它与单片机通信读出温度值，经过线性化处理后发给显示电路显示，显示电路是由四位独立数码管组成。2.2 热电偶测温原理及特性热电偶简介：热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理：将两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表： 分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表， 测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶的特性：1.组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点温度如何，回路总热电势等于零。2.如果热电偶两接点的温度相同，T=T0，则尽管导体A，B材料不同，热电偶回路的总电势亦为零。热电偶回路的总电势仅与两接点温度有关，与A、B材料的中间温度无关。3.在热电偶回路中接入第三种材料的导体时，只要这根导体的两端温度相同，则不会影响原来回路的总热电势。这一性质称为中间导体定律。3 热电偶传感器测温系统的单元电路介绍3.1 单片机的介绍AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。它的管脚分布如图2-1。实物图如图2-2。图3-1 管脚分布 图3-2 实物图单片机引脚功能说明：VCC：电源电压GND：地P1口：P1口是一组八位双向I/O口，P1.2P1.7内部提供上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑他们分别是内部精密比较器的同相输入端（AIN0）和反向输入端（AIN1），如果需要应在外部接上拉电阻，P1口输出缓冲器可吸收2mA的电流并可直接驱动LED。当P1口引脚写入1时可作输入端，当引脚P1.2P1.7作输入被外部拉低时，它们会因外部的上拉电组而输出电流。P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是内部带有上拉电阻的7个双向I/O口，P3.6口没有引出，它作为一个通用的I/O口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可以吸收20mA的电流，当P3口写入1时，它被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口， 作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流，它还可以实现AT89C2051的特殊功能，如图表2-1所示。表3-1 P3口特殊功能3.2 热电偶传感器选型及介绍常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。热电偶的种类有很多，在这选用的是K型热电偶， K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。 正极 （KP） 的名义化学成分为： Ni： Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-2001300。 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。 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。 如图2-3所示，他有两个端T+和T-，也是热电偶的测量端。图3-3 热电偶实物3.3 信号处理模块分析3.3.1 Max6675工作原理信号处理模块主要由单芯片Max6675完成，它内部集成了调节信号放大、12位A/D转化器、非线性补偿和数字控制电路。通过个芯片可以直接测量出温度的原始数据，经单片机解算得到温度值。主要功能： 简单的SPI串行口数据输出；0+1024的测温范围，5V供电；12位0.25的分辨率，片内冷端补偿、高阻抗差动输入、热电偶断线检测、单一+5V的电源电压、低功耗特性、工作温度范围-20+85。它的管脚分布图2-4所示。图3-4 管脚分布图Max6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T+和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是Max6675周围温度与0实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41V/，电压可由线性公式Vout=(41V/)(tR-tAMB)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），tR是测量点温度；tAMB是周围温度。它的内部框图如图2-5所示。图3-5 Max6675内部框图MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图2-6所示，MAX6675 SPI接口时序如图2-7所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使能地点尽可能接近GND脚，第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。图3-6 Max667输出温度数据格式图3-7 Max6675与MCU接口时序3.3.2 热电偶传感器的性能分析在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1F陶瓷旁路电容。MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。提高的测量精度措施：热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；在温度额定值范围内使用热电偶导线；避免急剧温度变化；在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。3.4 系统显示电路介绍3.4.1 74HC595的介绍74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。74HC595是具有8位移位寄存器（如图2-8 工作时序）和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。它的管脚分布和各管脚功能如图2-9所示。图3-9 管脚分布和管脚功能图3-8 74HC595工作时序3.4.2 数码管介绍数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。原理如图2-10所示。共阳极共阴极图3-10 数码管4 基于热电偶传感器的硬件电路设计4.1 测温电路的设计本此设计系统的原理图如图2-11所示，通过Max6675与单片机的通信即可从Max6675读出要检测的温度，电路简单，精度高，容易实现，大大简化了硬件的设计。热电偶采集到温度信息，经过Max6675处理后送给单片机，这样单片机就活动了要测量的温度信息。图4-1 单片机测温电路4.2 显示电路的设计如图2-12所示，单片机通过串口把要显示的温度发送给74595,在数码管上显示，12脚是数据控制端接单片机的P1.4，11脚是时钟输入端接单片机的P3.1，14脚是串行数据输入端接单片机的P3.0。图4-2 显示电路5 基于热电偶传感器测温系统的软件设计5.1 软件流程图图5-1 软件流程图5.2 C语言程序#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit stcp = P14;sbit cs = P15;sbit sck = P16;sbit so = P17;uchar code tab = 0xA0,0xFC,0x89,0xC8,0xD4,0xC2,0x82,0xF8,0x80,0xC0,0x90,0x86,0xA3,0x8C,0x83,0x93;/*延时子程序*/void delay(uint z)uint x,y;for(x = z; x0;x-)for(y =110;y0;y-);/*读取温度子程序*/uint readtemper(void)uchar i;uint value;sck = 0;cs = 0;/停止转化，开始读取温度for(i = 0;i 16;i +)value = 3;templ = temp&0x0ff;tempg = (temp8)&0x0f;temperature = (1023.75*(tempg*256+templ)/4095;temp = temperature;/强制转化类型wend1 = temp/1000;wend2 = temp%1000/100;wend3 = temp%100/10;wend4 = temp%10;SBUF = tabwend4;while(!TI);TI = 0;SBUF = tabwend3;while(!TI);TI = 0;SBUF = tabwend2;while(!TI);TI = 0;SBUF = tabwend1;while(!TI);TI = 0;stcp = 1;_nop_();_nop_();stcp = 0;delay(100);5.3 软件仿真图5-2 软件仿真图总结与展望本文设计应用中，主要