热电阻热电偶论文.doc

西安交通大学电气学院热电阻热电偶测温学号： 姓名： 导师： 班级： 目录目录1一、实验目的1二、实验原理11. 热电阻测温的基本原理12. 热电阻输出调理电路选择13. 热电偶测温原理23.1 基本原理23.2 主要参数23.3 热电偶输出调理电路33.4 热电偶的冷端补偿方式3三、 系统设计41. 系统框图42. 硬件电路设计52.1 单片机最小系统52.2 调理电路62.3 A/D转换电路72.4 键盘与显示电路82.5 串口通信93. 系统软件设计9四、误差分析10一、实验目的1. 通过实验加深理解热电阻测温原理及热电阻调理电路；2. 掌握基于热电偶传感器的测温系统的结构及组建方法；3. 掌握实时测温法实现热电偶冷端温度补偿的方法。二、实验原理1. 热电阻测温的基本原理热电阻是一种常见的测温元件，它是利用导体的电阻随温度变化的特性来测量温度的。常用的热电阻有铂电阻和铜电阻两种。下面就以铂电阻为例介绍其测温的基本原理。铂电阻与温度的关系，在0850范围内为Rt R0（1ATBT2） 式中Rt 温度为t时的电阻值；R0 温度为0时的电阻值；T 被测温度值；A，B 分度系数，即A3.908103/，B5.802107/。Pt100热电阻的分度表略。 2. 热电阻输出调理电路选择电路一：单恒流源电路为了减小热电阻的接触电阻和引线电阻的影响 ,根据测量的电流端和电压端特点 ,被测热电阻Rt通过四线制由现场传送到控制室 , 再由集成运放 A1、 A2、 A3、 A4组成的仪表放大器放大输出 ,再经 A/ D转换送至单片机。 图1 热电阻输出调理电路1电路二：双恒流源电路热电阻输出最典型的调理电路是双恒流源法，如图1所示。图中Rt为Pt100热电阻，图1 热电阻输出调理电路RN为基准电阻，取样电阻R1和R2分别是为测量恒流源I1和I2的值而设置的。当I1=I2=IS，RN =100时，UoKUi =KISR0（ATBT2） （2）式中，K为放大器的增益，设计值为21；IS为恒流源值，实验中以实际测得为准。3. 热电偶测温原理3.1 基本原理热电偶属于热电式传感器。它利用热电效应将被测物理量（如温度）转换为电势。两种不同的金属导体A、B串接成一个闭合回路，如图2（a）所示。当两个结点处于不同温度TT0时，导体在回路中产生热电势和相应的热电流，这一现象称为热电效应或称温差电效应。当回路断开，在断开处的电压差就等于热电势，如图2（b），热电势大小与构成热电偶的材料以及两结点的温度有关。EAB (T,T0) = (T-T0) + (T-T0)2 +式中 EAB (T,T0)由A,B两种材料组成的热电偶，结点温度为T,T0时的热电势。，多项式系数，对于A,B材料一定时为一常量。V=EAB(T,T0)T0T0 B()热电动势=EAB(T,T0)图2 热电效应示意图3.2 主要参数热电偶的主要技术参数有分度号、允许误差、测量范围和热响应时间等。分度号是分度表的代号，不同国家的表示有所不同。分度表是用表格的方式列出温度与热电动势的对应关系，分度表略。采用热电偶测温的一般过程是：测量热电偶输出的热电势值，然后根据热电偶的分度表，查得被测温度值。本实验为编程方便，采用函数式替代分度表：（mV） (T为0100) （3）为热电偶冷端温度为0，测量端温度为T时，热电偶输出的热电势值。3.3 热电偶输出调理电路电路一：如图所示为精密电流变送器XTR101构成具有两个温度区域和二极管冷端补偿的热电偶输入电路。该电路采用J型热电偶作为温度传感器，半导体二极管D作为冷端温度补偿形成测量的相对0oC，测量温度，T1范围为01000oC。温度T2等于半导体二极管D的温度TD。当测量温度在01000oC变化时，J型热电偶将有58mV的变化。在环境温度为+25时，典型值为128mV。对应0oC的传输电流为4mA，对应+1000oC的传输电流为20mA。图3 XTR101热电偶输出调理电路电路二：热电偶调理电路的输入输出关系为： 热电偶调理电路的输出值送入数据采集卡，采集后获得电压的大小，根据式即可计算出热电偶输出热电势的大小。图3 热电偶输出调理电路3.4 热电偶的冷端补偿方式热电偶的热电势大小与热电极材料及两个结点的温度有关。为了实现用热电偶测温，必须保持冷端温度恒定，或能够实时测量出当前的冷端温度，以便进行补偿。根据处理方式不同，热电偶的冷端补偿方式通常有0恒温法、冷端温度实时测量计算修正法以及补偿导线法，本实验采用冷端温度实时测量计算修正法，具体步骤如下：第一步：自动采集两个输入量。一个是热电偶回路的温差电势EAB (T, T0 )；一个是冷端温度T0值。若T0=40，EAB(T，40)=2.146mV；第二步：求取修正量或称计算补偿值。计算根据已测得的T0值，自动查内存中的热电偶分度表(或按（1）式计算)，得到EAB (T0, 0 )值即是。设查得EAB(40，0)=1.611mV第三步：修正温差电势EAB (T, T0 )。根据中间温度定律计算两结点温度分别为T, 0时的总温差电势EAB (T, 0 )EAB(T, 0)= EAB(T, T0)+ EAB(T0,0) =2.146mV+1.611mV=3.757mV即完成了对温差电势EAB (T, T0 )的修正。第四步：查表求热端温度。根据已求得回路总温差电势EAB (T, 0 )查内存中的热电偶分度表(或按（11）式计算)，于是可得热端温度T =91.8即被测温度。三、 系统设计1. 系统框图传感器T调理放大A/D转换CPU显示图4 系统结构图该系统数控部分采用89S52系列单片机控制，AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。传感器采用热电阻和热电偶，热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测量范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制。调理放大采用AD620，能定量控制放大倍数。A/D转换部分选用MAX197。MAX197是Maxim公司推出的8通道、12位的高速A/D转换芯片。芯片采用单一电源5V供电，单次转换时间仅为6s，采样速率可达100kSa/s，输入范围10V，5V，+10V可选，使用简单灵活。而且它有8+4的并行接口，方便与单片机相连。按键和显示部分采用ZLG7289集成按键显示控制芯片，简化了设计，方便编程。2. 硬件电路设计2.1 单片机最小系统 图5 单片机最小系统电源部分：引脚VCC（40）：电源+5V，引脚GND（20）：接地 ，电源和地之间接去耦电容10uF和100nF。时钟部分：使用内部时钟，XTAL1（19）和XTAL2（18）之间接晶振和电容，电容值为30pF左右。复位电路：采用上电自复位电路，89C52单片机在Vcc、振荡器和反偏置发生器已达到稳定状态之后，至少要使RESET脚保持2个状态周期（24个机器周期）的高电平使内部复位。本系统采用11.0592MHz晶振，所选用电阻10K和电容10uF。I/O接口：因本系统无太多器件，不需要采用总线方式或扩展总线。MAX197输入数据总线与单片机直接相连。ZLG7289A采用SPI总线通讯，8051不带SPI模块，因此采用I/O口模拟SPI时钟，占用单片机的P14、P16、P17。外部中断：ZLG7289A的按键采用中断触发方式，8051的中断为下降沿触发，ZLG7289A的触发电平正好为下降沿，因此不需接反相器。2.2 调理电路热电阻输出调理电路原理图如图所示。图中LM385-2.5为输出2.5V的精密基准稳压源；AD620为精密仪表运放，其输入失调电压漂移最大值为7V/。调节可变电阻VR1可使两个恒流源输出相等，调节VR2可调节放大倍数。 图6 热电阻输出调理电路热电偶的输出调理电路如图所示，因为热电偶输出本来就是电动势，所以可以直接取样放大。 图7 热电偶输出调理电路2.3 A/D转换电路 图8 A/D转换电路MAX197是Maxim公司推出的8通道、12位的高速A/D转换芯片。芯片采用单一电源5V供电，单次转换时间仅为6s，采样速率可达100kSa/s。内部有4.096V的参考电压，输入范围10V，5V，+10V可选，使用简单灵活，而且它有8+4的并行接口，方便与单片机相连。选用AT89S52单片机作为主处理器。通过P0.0P0.7与MAX197的D0D7相连，既用于输入MAX197的初始化控制字，也用于读取转换结果数据。 用AT89S52单片机的P1.4作片选信号，则MAX197的高位地址为7FH。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN脚为高电平。本文采用外部基准电压，所以REFDJ接高电平，而REF则接外部输入参考电压。AT89C51单片机的P1.3脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚可与AT89C51的INT1相连,以便实现中断，读取转换结果。2.4 键盘与显示电路 图9 键盘与显示电路本设计采用ZLG7289A进行键盘和显示控制。ZLG7289A采用了SPI总线， 串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。8051内部不带SPI模块，因此采用I/O口模拟SPI时序。7289可同时驱动8位共阴式数码管或64知独立LED，同时还能驱动64键的键盘阵列。因为温度值在0-100度之间，可精确到小数点后一位，所以只需要四位数码管即可，两个键盘控制热电偶和热电阻的选择，其余可作为扩展功能。2.5 串口通信 图10 串口通信电路 目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。3. 系统软件设计 图11 软件流程图 在