基于热电偶传感器的智能测温仪设计

本科毕业论文（设计）题目基于热电偶传感器的智能测温仪设计作者XXXXX学院信息科学与工程学院专业电子信息科学与技术学号XXX指导教师XXX湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人声明所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本科毕业论文（设计）作者签名摘要在工农业生产过程中，温度是一个非常重要的物理参数，温度检测类仪表作为温度测量工具也因此得到了广泛应用。热电偶有成本低、准确度高和测温范围宽等优势，自然成为工业应用中优先考虑的方案。为获得准确的测温值，本论文将微机技术与热电偶传感器结合起来，设计了较高精度较高集成度的智能测温仪表。跟传统热电偶测温方案相比该设计采用了数字集成芯片MAX6675，该芯片集成了A/D转换器、冷端补偿及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，这使得仪表的精度跟集成度得到提升的同时也降低了设计的复杂度。该论文主要由测量仪表的软件设计、硬件设计两个部分组成。热电偶测温仪表硬件主要由单片机最小系统电路、MAX6675数据采集与转换电路、数码管显示电路、串口通信电路、报警电路五个部分组成。软件部分主要由数据读取程序、串口通讯程序、数码管动态扫描显示程序等程序模块组成。设计的测温软件程序可以在51单片机上移植。关键词智能仪表；K型热电偶；温度测量；MAX6675；AT89S51ABSTRACTINTHEINDUSTRIALANDAGRICULTURALPRODUCTIONPROCESS,THETEMPERATUREISAVERYIMPORTANTPHYSICALPARAMETERS,TEMPERATUREDETECTIONINSTRUMENTATIONFORTEMPERATUREMEASUREMENTTOOLCLASSANDTHEREFOREWIDELYUSEDTHERMOCOUPLELOWCOST,HIGHACCURACYANDWIDETEMPERATURERANGEANDOTHERADVANTAGES,WILLNATURALLYBECOMEAPRIORITYININDUSTRIALAPPLICATIONSPROGRAMSINORDERTOOBTAINANACCURATETEMPERATUREMEASUREMENTVALUE,THISPAPERWILLMICROCOMPUTERTECHNOLOGYANDTHERMOCOUPLESENSORSCOMBINEHIGHPRECISIONDESIGNOFAHIGHDEGREEOFINTEGRATIONOFINTELLIGENTTHERMOMETERCOMPAREDWITHTHECONVENTIONALTHERMOCOUPLEPROGRAMDESIGNEDUSINGDIGITALINTEGRATEDCHIPMAX6675,THECHIPINTEGRATESTHEA/DCONVERTER,SERIALINTERFACESPICOLDJUNCTIONCOMPENSATIONANDTHERMOCOUPLEAMPLIFIERANDDIGITALCONVERTERTHISMAKESINTEGRATIONWITHPRECISIONINSTRUMENTATIONHASBEENIMPROVED,WHILEALSOREDUCINGTHECOMPLEXITYOFTHEDESIGNTHEPAPERMAINLYCONSISTSOFMEASURINGINSTRUMENTSSOFTWAREDESIGN,HARDWAREDESIGNOFTHETWOPARTSINTHISDESIGN,FIRSTINTRODUCEDTHEHARDWAREPARTOFTHETHERMOCOUPLETHERMOMETERTABLETHERMOCOUPLETHERMOMETERHARDWARECONSISTSOFFIVEPARTSTHESMALLESTSINGLECHIPSYSTEMCIRCUIT,MAX6675DATAACQUISITIONANDCONVERSIONCIRCUITS,DIGITALDISPLAYCIRCUIT,SERIALCOMMUNICATIONCIRCUIT,ALARMCIRCUITSOFTWAREPARTCONSISTSOFTHEFOLLOWINGMODULESDATAREADINGPROGRAM,SERIALCOMMUNICATIONPROGRAM,THEDIGITALDISPLAYDYNAMICSCANNINGPROCEDURESROUTINESSOFTWAREPROGRAMDESIGNEDTEMPERATURECANBEUSEDINTHE51MCUKEYWORDSINTELLIGENTINSTRUMENTKTYPETHERMOCOUPLETEMPERATUREMEASUREMENTMAX6675AT89S51目录诚信声明I摘要IIABSTRACTIII第一章绪论111研究背景和意义1111研究背景1112研究意义112研究现状及发展趋势1121国内外测温研究现状1122发展趋势213研究思路及主要内容3第二章系统方案论证与总体设计421系统方案论证4211热电阻测温系统4212红外测温系统4213热电偶测温系统422方案选型与总体设计423本章小结5第三章仪表的硬件设计531温度的数据采集与前期数据处理模块6311K型热电偶6312K型热电偶串行模数转换器MAX66757313MAX6675与AT89S51单片机的接口932AT89S51与PC机串口通讯模块10321RS232C标准10322MAX232芯片简介10323单片机的串行口工作方式11324接口电路1133蜂鸣器报警与报警温度值设定模块1234LED数码管显示模块1235AT89S51单片机最小系统模块12351AT89S51单片机12352片内振荡器和时钟电路13353单片机复位电路1336本章小结14第四章软件设计1541KEILC51集成开发环境简介1542基于KEILC51软件编程设计15421主程序流程图15422读取MAX6675数据程序15423报警温度值设定程序17424串口通讯程序17425数码管显示子程序1743本章小结19第五章仿真2051PROTEUS简介2052仿真步骤20521建立仿真电路原理图20522导入程序2053仿真结果21531测温模块与报警模块21532串口通讯模块仿真22结论24参考文献25致谢26附录A硬件原理图27附录B设计程序28第一章绪论11研究背景和意义111研究背景温度是所有物理现象中一个最基本的物理现象，它是应用于生产过程中最基础、最普通的工艺参数。不管是科学研究、国防工业、还是工农业的发展，它们都无法离开温度的测量。但是，获得温度的准确值并不是件容易的事，即使温度传感器的精度很高，如果测量的环境不是很理想或者是测量的手段选取不正确，都无法测得正确的温度值。目前，传统的测温技术应用比较成熟，但是还是存在许多需要改进的方面。比如集成度低、测量的精度不是很高和设计的过程繁琐等等。由于这些原因，传统的设计方案已不能满足于当前电子产品要求小体积高精度发展的要求。因此，如何在充分利用传统测温技术的基础上改进测温仪器的测量精度和集成度具有非常重要的意义。热电偶测温优势很多但也有其自身的缺点，热电偶信号的调理电路过于复杂，使得测温仪的集成度跟精度受到限制。正因为如此，怎样改善热电偶的这些缺点以达到工农业生产中对测温仪高精度和高集成度的需求是研究的一个方向和重点。112研究意义基于热电偶原理的测温方案虽然优势明显，但热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时存在着下面几个问题（1）热电偶输出热电势与温度之间为非线性关系1。（2）热电势输出信号必须经过冷端温度补偿（3）热电偶无法将电势数字化输出。因此，将热电偶应用于嵌入式系统时，需进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计2。由于这些原因，传统热电偶测温仪的测量精度和集成度受到很大的限制。但是单芯片MAX6675很好的解决了这些难题。该芯片把冷端补偿功能、SPI串口功能、热电偶放大器功能、A/D转换功能、热电偶的电势放大功能与数字转换的功能集成在一起。这样在热电偶设计难度大大降低的同时，仪表的测量精度和集成度也得到提升。所以将MAX6675应用于热电偶的测温仪表中具有非常大的意义。12研究现状及发展趋势121国内外测温研究现状1、光纤温度传感器从理论和实践的经验来看，光导纤维技术都被证明具有其它同类技术无法比拟的优越性。它的组成主要有三个部分，分别为光电的转换、光耦合器与传输光纤。现阶段基于光导纤维的传感器有测量角速度、测量温度值、测量液面的高度、测量距离、测量压强、测电流大小、测量磁场和测量电场等的功能。很好的完成了传统测量技术难以解决的问题。光导纤维正逐渐被运用到许多不同的领域，它的优越性和无法替代性正在一步步的体现。在可预见的未来，光导纤维的应用领域将会越来越宽，在传感器的领域扮演无法替代的角色。2、石英温度计高分辨率、高精度传感器的研制是科技发展的必然趋势更是实际生产的需求。高分辨率是石英温度传感器的一大特性，其分辨率高达000100001。不仅如此，它还有相当高的准确度，当温度在50120内，精度为005。普通温度计的精度为01。3、声学温度计测温温度的范围宽、无需直接的触碰、测温原理相对简单是声学温度计的特性。正是由于这些特点，声学测温仪已经被广泛使用于垃圾焚烧炉、发电站和水泥回转炉等工业过程的测量和控制。4、超声波检测气体温度值随着温度的不同，超声波在气体等介质的中的传播速度也会随之改变，正是利用这些特点，用超声波技术做成测温传感器有反应时间短、不受外壁热辐射影响等优点。测量声速的主要方式有两种脉冲式测量假如收音机和喇叭间的路程为L，两者间传播所花费的时间为，就可按照UL/，求得U的值。当在测量的环境选取不理想的情况下而直接测量声速时将会产生很大的误差，例如当测量环境有风时。在这样的情形下，选取的解决方法是将收音机和扬声器交换测量，然后选取两者的平均速度。共振方式测量法依据共振的原理，频率FU/L可算得U。5、热噪声温度计热噪声的另外一个名字叫做约翰逊噪声。温度和热噪声之间存在可以计算的确定的某种关系。基于热噪声原理的测温仪就是依据温度与热噪声之间的这种关系。热噪声温度计的一些特点有以下几个方面不需要分度；和传感器的材料无关，不会受压力的影响；传感器阻值不影响测量的准确度；测温范围广41400K。由于这些特点，热噪声温度计可被看成是一种十分理想的测温方法。但是，热燥声温度计也有其难以实用化的几大缺点电压信号十分的微弱，信号的调理十分的困难，不易于操作。解决这几大难题是目前所要思考的。122发展趋势随着工农业的发展，人们对生产效率的要求也越来越高，基于这一原因，对温度测量的精度、便捷和集成度的要求也越来越苛刻，将现代科技的微机智能技术与现代检测科技理论相结合成为当今温度测量技术发展的必然趋势。基于上述原因考量，国内和国外测温仪器的生产厂商将朝着下面几个方向发展（1）继续发展应用十分普遍的传统测温元器件，例如热电阻、热电偶。（2）大力投入新的工艺、新的基础材料和新的原理的研发，例如近年来已经研发出来的薄膜铂、厚膜电阻的测量仪表，炭化硅热电阻测量仪表等。（3）新的产品检测功能只是当中的一项，同时要具备指令、判断等功能。因此，将目前的微机智能控制技术应用于测温仪表以实现智能化、集成化的目的成为未来的发展趋势。13研究思路及主要内容本测温仪器使用AT89S51为微处理器，K型热电偶镍铬一镍硅用来作为前端温度传感器，MAX6675作为信号的调理芯片。送微机的数字信号经处理后在共阳的数码管上显示。同时将读取的新的温度值跟开始时设定的温度值进行对比，如果超过设定值则单片机将会驱动蜂鸣器发声。本测温仪同时具备有和上位机进行通讯的功能，将实时采集到的信号传回到计算机上。本论文完成的工作如下以AT89S51单片机作为主芯片，完成了测温仪器的数据采集处理电路、输出显示电路、报警电路、与PC机通讯电路以及单片机最小系统。跟传统的热电偶测温仪比较，本系统的一大特点就是采用了MAX6675芯片进行数据处理，使得系统集成度提高，测量结果更加精确。第二章系统方案论证与总体设计21系统方案论证211热电阻测温系统金属是制作热电阻的主要材料，目前而言，使用量最大的是铜和铂。铜材料的电阻在额定的测量范围之内温度与电阻值成正比的关系，非常容易被氧化在高于150时，适合在没有腐蚀的介质中，在实际的生产应用中，铂电阻的使用相当的普遍；铂电阻的测量精度较高，而且稳定性也比较理想，但它的一大缺点就是温度与电阻存在一定的非线性，温度增高时电阻的变化率反而更小。当温度存在于被测量介质中时，所测的温度是感温元件所在介质中的平均温度3。三线制常用于热电阻系统的接线中，这样做原因是导线的接入会带来误差，这种接法可以消除它。212红外测温系统红外测温系统是一种非接触式测温系统，红外测温仪表的组成有三大部分，分别是光电探测器、信号放大器、光学系统4。在实际使用时，测温环境对测量性能的影响是要重点考虑的。比如干扰和污染所带来的测量不准确度。这些问题需要采用一些软件算法进行补偿。由于测温环境的不确定性，红外测温系统应用时需要考虑环境对温度测量的影响。213热电偶测温系统热电偶测温是应用十分广泛的一种测温方案，热电偶的检测原理是由检测热电势的大小来测量温度的。测量高温时，由于热电偶与测量物体之间是直接接触的，因而准确度比较高。还有以下一些特点是热电偶测温所具有的（1）结构简洁，易于维护。由此原因，热电偶维修和装配比较便捷，自然价格相比其他更加的便宜。（2）实时性能比较好，热端的的体积可以做的非常小。例如，一些薄膜的或针状的热电偶，响应的时间能够达到微妙级。（3）信号的传输可以更加的远，可通过导线把信号远距离的输送到显示仪表上，因为电信号的传输受距离的影响较小。同样，热电偶也有不尽人意的地方，在长期使用和高温环境下，热电偶容易被氧化和腐蚀。22方案选型与总体设计由前面的论述可知，热电偶测温的优势跟其它两种测温方法比较是显而易见的。因此本论文的设计方案采用热电偶。K型热电偶有很好的灵敏度、线性度好、测温宽。在复杂环境下输出的热电势都比较稳定。本论文选择AT89S51单片机作为中央控制单元。K型热电偶作为感温元件，信号调理等复杂电路由MAX6675芯片解决。热电偶输出的信号必须要进行一系列的前期处理才能被读取，这是由于输出信号特别的微弱，易受到各种噪声的影响。传统的信号调理电路包括1输出电势与温度间的线性化处理。2冷端补偿。3数字化输出。由于上述缺点，传统的做法无法满足集成化，精度高等特点。MAX6675是这样一种元件具有线性校正、热电偶断线检测、冷端补偿、线性校正串行K型热电偶模数转换器其温度分辨能力达0255。可以满足绝大多数工业应用场合，大大提高了系统的集成度与测量精度。系统总体机构如图21所示23本章小结本节较详细的论述了当前一些主流的测温方案，并且相互比较了它们的优点和缺点。最后选择K型热电偶为本论文的测温传感器，基于热电偶元件测温的理论，给出了本论文测温仪器的整体方案图21。AT89S51数码管显示单片机复位蜂鸣器报警MAX6675信号放大、非线性处理、冷端补偿、模拟量数字化K型热电偶报警温度值设定按钮串口通讯图21系统总体结构第三章仪表的硬件设计本智能仪表由K型热电偶、AT89S51单片机最小系统、MAX6675信号调理模块、报警模块、RS232C通讯模块、共阳数码管显示模块等模块组成，该仪表实现了这样一些功能，可以实时的检测温度值，能够将数据按照设定的时间间隔传回到计算机上，将温度值在数码进行了显示，并且可以设定报警温度值。31温度的数据采集与前期数据处理模块311K型热电偶工业生产中使用最为广泛一类热电偶为K型热电偶，该类型热电偶负极组成材料为3的镍和硅的合金KN，正极的材料成分为10的镍和铬的合金KP。由于镍硅合金亲磁，利用这个特性，使用磁铁辨别K型热电偶的正负极变得十分的简单跟方便。K型热电偶不容易被氧化、灵敏程度较高、电势跟温度的比率较大、测温宽和在还原的气氛中热电势输出较平稳。K型热电偶能够长时间的工作在1000以下的条件中，短时间内可以在1200附近使用。长时间的在过高的环境中使用时，热电偶的测量准确度会大大的降低。K型热电偶的负极受磁场影响明显，在使用时应尽量减少周围场对热电偶的干扰6。K型热电偶材料中含有锰、铬等元素，在有辐射的环境中长时间使用时这些元素性质会发生改变，导致测量结果不正确。热电偶的输出电势信号微弱容易受到干扰，必须经过复杂的信号调理之后才能被单片机读取。由于本论文不进行这些电路的具体设计，现只做一些概要的说明。1、冷端补偿热电势是热电偶对温度变化的反应，是参考端的温度和测量端温度的函数差。但假如参考端温度值不是一定的，则引入测量的误差同样也是变量。参考端温度大小的变化会带来测量端温度的改变。所以要进行冷端补偿。2、放大电路热电偶的输出热电势是毫伏级别的，无法直接读取，所以在送入单片机之前必须经过高精度的放大单元电路处理。3、模数转换电路A/D芯片负责将热电偶产生的热电势数字化输出，之后信号由微机处理。A/D芯片的一个重要参数是转换精度，对于测控电路，模拟信号经一些放大、滤波等电路处理之后才由A/D芯片进行处理。总的误差由量化误差和系统误差来共同决定的。所以，模数转换芯片的精度和测量系统的精度相符合是设计过程中必须要考虑的一个重要问题。一个方面，量化误差和总误差的比值要求越小越好；另外一方面，依据当前的测温仪的精度位数，合理地选择A/D转换器的精度位数。312K型热电偶串行模数转换器MAX6675传统的基于热电偶的测温仪表当中，必须要进行复杂的查表线性、温度补偿、信号放大、数字化输出及模数转换等软件和硬件的设计，由于这些原因，导致所需芯片的数量太多，编写软件的工作量加大，这跟现阶段产品模块化、集成化的要求是相背离的。MAX6675是MAXIM公司生产的适用于K型热电偶的集成芯片，它功能十分的强大7。集成了许多的功能模块如信号的线性化功能、冷端温度补偿功能、模数转换的功能、SPI串口功能、信号的数字化转换功能等。这样极大地简化了传统热电偶所需的复杂的信号调理，使得软硬件设计变得简单。MAX6675芯片的引脚排列如图31所示1、各引脚的功能介绍T热电偶负极使用时接地T热电偶正极SCK串行时钟输入CS片选信号SO串行数据输出VCC电源端GND接地端NC悬空,不用。MAX6675的结构电路如图31,它内部组成模块为模数转换单元、信号放大单元、冷端温度补偿单元、以及控制单元等构成。图31MAX6675引脚和内部结构2、工作原理及功能特点热电偶的输出电势信号必需是经过冷端补偿后的输出信号。根据前人的设计经验，有非常多的冷端温度补偿方案，例如电桥方式补偿法和冷端冰点式补偿法等。但这些方法调试起来都比较复杂。毫无疑问，这些都会增加电路调试和程序编写的复杂度。而MAX6675完全能够避开这些缺点，MAX6675芯片内部集成的元器件参量都被进行了先进的激光纠正，从而非线性误差得到了很好的解决。而且，MAX6675芯片的内部集成非线性校正、断偶检测、冷端补偿等电路这些都给K型热电偶的应用大大降低了难度7。MAX6675的特点如下可将温度信号转换成12位数字量,温度分辨率为025；带有简单的3位串行接口；内部集成有冷端补偿电路；内含热电偶断线检测电路；3、工作时序MAX6675芯片接口十分地简单只需要三个接口便可以跟微机或者别的数字器件进行通信,其工作时序如图32所示。当CS引脚为低电平时开始向微机传送转换了的数字信号，相反的，CS管脚的电平由低转为高时，芯片将开始下一轮的数据的转换。当CS端口由高电平转为低电平时，数据的值将以高低电平的形式出现在SO。读取数据的过程由SCK发送16个时钟周期，每次读取都是在SCK电平由高电平到低电平转换的这一过程进行的。数据由16位构成，其中D15是无效的信号，D14D13才是真正的测量温度值，热电偶断偶标志位为D2，D2为高电平时说明热电偶是断开的。D1起标识符的作用，D0为三态。MAX6675的内部集成了断偶检测电路，这使得设计变得更加的简洁。D14D3组成12位数字量,全为1时值为4095,与之对应的测温值为102375。全为0时值为0，与之对应的温度值为0。测量温度值102375数字量/4095。需要注意的是由于MAX6675芯片内部电路复杂模数转换的速度介于170MS220MS之间，相比其它模数转换芯片时间要长的多。工作时序如图32所示图32MAX6675工作时序4、读取MAX6675转换数据的相关代码程序中ADL与ADH分别用来存储转换后的低8位数据和高4位数据。相关的数据读取源程序如下VOIDDATA_READUNSIGNEDCHARIADHADL0SCK0CS0/片选信号有效SCK1SCK0/移除无效位最高位D15SCK1FORI4I0I/读取转换结果高4位SCK0ADHADH0I/读取转换结果低8位/SCK0ADLADLINCLUDEDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARUNSIGNEDLONGINTTEMP0UINTTEMP1500/最初报警值为50度，为便于比较和计算扩大10倍UINTADH,ADLUCHARDUAN_OU_FLAGUCHARDATA_FLAG0UCHARTJFLAG0,XSFLAG0UCHARB00,S00,G00,DOT00UCHARMUCHARX1SBITLED0P27SBITLED1P26SBITLED2P25SBITLED3P24SBITJIAYP23SBITJIANYP22SBITTJXZP32SBITBAO_JINP34SBITCSP35SBITSCKP36SBITSOP37CONSTUNSIGNEDCHARSMGDIS0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90/根据共阳极字型编码表获取09，AB字型代码/VOID