热电偶测温设计

1、电子技术课程设计设计课题：基于热电偶的温度测量电路学院专业：信息学院电子信息工程姓 名：维 C 学 号：20101601310034 指导老师：XXX 日 期：2012/12/10 同组人姓名学号：XXX 20101601310005 XXX 20101601310050目录1、 摘要··························&

2、#183;·················32、 引言·······························&

3、#183;············43、 设计任务与要求··································44、 方案设计

4、与论证··································5a)、热电偶的温度测量原理·············&

5、#183;··········6b）、热电偶温度计的作用与特点····················105、 单元电路与参数计算··············&

6、#183;···············11a）、仪表放大器································

7、83;·11b）、模数转换器··································14c)、LCD液晶显示···········

8、;······················17d)、ADC0804和LCD1602控制程序···················196、 总原理图与元器件清单··&#

9、183;··························217、 结论与心得·····················

10、3;·················228、 参考文献·······························&

11、#183;·········23摘要本设计由运放组成仪表放大器，放大热电偶产生的电动势。采用STC89C52单片机控制LCD1602液晶，利用ADC0804模数转换器采集放大器输出的信号。充分发挥单片机C语言的信号处理和显示控制能力强的特点，并使用性价比极高的LM324运算放大器组成前端信号处理电路，节省成本。本设计已成功通过protues仿真验证。关键字： 仪表放大器、单片机、液晶、热电偶AbstractThis project consist of instrumentation amplifier

12、,analog(ue)-digital converter and liquid crystal display . It use MCU ( STC89C52 ) to control liquid crystal display ( LCD1602 ) and ,analog(ue)-digital converter ( ADC0804 ). Besides, instrumentation amplifier ( LM324 ) and some resistor make up signal processing circuit .keywords: instrumentation

13、amplifier, liquid crystal display, MCU, thermocouple引言热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，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（二次仪表）转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。热电偶有如下特点：1、装配简单，更换方便； 2、压簧式感温元件，抗震性能好； 3、测量精度高； 4、测量范围大（2001300，特殊情况下2702800）； 5、热响应时

14、间快； 6、机械强度高，耐压性能好； 7、耐高温可达2800度； 8、使用寿命长。所以其比一般的热电阻在测量温度方面有不少优点，热电阻温度测量范围太窄更使热电偶在仪表测量方面更具优势。所以研究设计基于热电偶的温度测量电路有一定意义。一、设计任务与要求设计基于热电偶的温度测量电路，测量范围在0到1000摄氏度。二、方案设计与论证总的设计方案叙述如下：不同的温度使热电偶产生不同电动势，经过LM324运算放大器组成的仪表放大器电路，输出与放大倍数有关的相应0到5V的压降，再由ADC0804模数转换器采集并送给STC89C52单片机处理数据并显示相应的温度值到LCD1602液晶屏上。不同的温度产生不同

15、的压降，且基本上呈线性规律。所以可以直接把该压降经放大后送到单片机进行处理并显示。设计框图如下：热电偶仪表放大器模数转换器单片机LCD1602液晶产生电动势K型热电偶分度表如下：a)、热电偶温度计的测温原理 热电偶温度计是一种感温元件 , 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是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端温度不同时 , 回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应（或者塞贝克效应）。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 ,

16、 制成热电偶分度表 ；分度表是自由端温度在 0°C 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。 热电偶温度计测温原理图如图所示： 其中，T是热端、工作端或者测量端， To称为冷端、自由端或者参比端。A和B称为热电极，热电势),(0TTEAB的大小由接触电势和温差电势决定。接触电势接触电势接触电势接触电势：也叫珀尔电势，其大小表示为：其中：导体A和B

17、在温度为T时的接触电势， A和B的顺序代表电动势的方向； k玻尔兹曼常数； T接触处的绝对温度； e单位电荷量； ATN、BTN分别为金属A和B的自由电子密度。 由接触电势的公式可知： 接触电势的数值取决于导体材料的性质和接触点的温度； 接触点的温度越高，接触电势越大； 两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。 （2）温差电势温差电势温差电势温差电势：是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的电动势。 其大小表示为： 其中：a、B分别为导体A和B的汤姆逊系数； eA（T，To）、eB（T，To）分别为导体A和B两端温度在T 和0T（T >0T）时的温差电势； K玻尔

18、兹曼常数； T接触处的绝对温度； e单位电荷量； 温差电势的大小与导体材料的性质及两端的温度差有关，温差越大，温差电势也越大，当T=T0时，温差电势为 （3）热电偶热电偶热电偶热电偶温度计温度计温度计温度计闭合回路的总闭合回路的总闭合回路的总闭合回路的总热电势热电势热电势热电势 如图所示，热电偶闭合回路中，回路总电势由4个部分组成，2个温差电势：Ae（T，0T）和Be（T，0T），2个接触电势ABe（T）和ABe（0T），其大小和方向如图中所示，则总电势为 由上面的式子可知，热电偶总电势与两接点温度有关。 若使冷端温度0T固定，即（0T）= C（常数），则对确定的热电偶材料，其总电势),(0T

19、TEAB只与热端温度T有关，即所以，热电偶所产生的热电势),(0TTEAB只和热端温度T有关，因此测得热电势的大小，就可求得热端温度T，这就是用热电偶测量温度的工作原理。b）、热电偶温度计的作用和特点（1）作用： 热电偶温度计实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。用于测量各种温度物体，测量范围极大，远远大于酒精、水银温度计。它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体。 （2）特点： 测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，把温度信号直接转换成直流电势信号，便于信号的传递与显示，不受中间介质的影响； 动态响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏，

20、可以远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制； 测量范围广：可达 -200 2000以上，是应用最广的测温传感器； 结构简单、体积小、易加工，性能可靠， 机械强度好； 使用寿命长，安装方便。三、单元电路与参数计算a）、仪表放大器用分离元件构建仪表放大器需要花费很多的时间和精力，而采用集成仪表放大器或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案，另外，采用如下仪表放大器，电路放大差模信号，抑制共模信号，减少输入噪声的影响。R1R1RRRfUi1Ui2根据运放的虚短、虚断性质有Ui2 Ui1 = Rg(Uo2 Uo1)/(2R1 + Rg)即：Uo2 Uo1 = （1 + 2R1/Rg）(Ui2

21、 Ui1)所以输出电压Vo = -Rf(Uo2 Uo1)/R = -Rf（1 + 2R1/Rg）(Ui2 Ui1) / R设Uid = Ui2 Ui1,为仪表放大器输入压降，即：Vo = -Rf（1 + 2R1/R2）Uid / R ··················（1）A0 = Vo / Uid = -Rf（1 + 2R1/R2）/ R ······&

22、#183;·····（2）由热电偶分度表知0到1000摄氏度压降变化范围是0mV 到 41.27mV ，而输出的范围是 0 到 5V。所以可以得出所需的放大倍数：A0 = 5000 / 41.27 120 倍 这里取 Rf = 400 K R1 = 10K Rg = 10K R = 10K 由上述表达式（2）可以知道，放大倍数A0 = Vo / Uid = -Rf（1 + 2R1/R2）/ R = 120 倍所以，得到电路图如图2。图2中通过直接设定放大器两端的输入电势（2.030V和2.035V）来模拟热电偶的压降变化。所以计算得到仪表放大器

23、的输入电势差为Uid =Ui2 Ui1 =2.056 2.030 = 26 mV由图可知仿真得到的输出为 3.20V。而理论计算的输出应为 26 mV * 120 = 3.12V。所以知道理论数据与仿真所得数据基本相等，方案可行图2b）、模数转换器出于成本的考虑，本设计采用的模数转换器为性价比较高的ADC0804，精度为8位。图3. ADC的硬件连接原理图图4.本设计ADC0804的硬件连接图图5.AD的读写时序图 c）、LCD1602液晶显示本设计采用LCD1602液晶作为显示部分，LCD1602的操作时序如下图ADC0804采样得到的0到5V，转化为数字信号二进制数0到255，而5V对应的

24、热电偶电动势是：Ut = U / A0 = 5V / 120 = 41.67 mV根据K型热电偶分度表知其相应温度是1030摄氏度所以需要把AD得出的数据放大 1030/255 4倍。仿真过成测的数据对应热电偶分度表有16摄氏度左右的误差，所以最终的修正公式确定为：adval = adval * 4 - 16;具体处理见程序图6.LCD1602写时序图7.LCD1602硬件连接图d）、ADC0804和LCD1602控制程序#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define ui

25、nt unsigned intuchar code temperature = 0x54,0x65,0x6d,0x70,0x65,0x72,0x61,0x74,0x75,0x72,0x65,0x3a;uchar code table_num=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39;sbit lcden = P27;sbit lcdrs = P26;sbit adwr=P36; /定义AD的WR（写信号）端口sbit adrd=P23; /定义AD的RD（读信号）端口sbit adcs=P20;void delay(uint z)uin

26、t x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void write_com(uchar com)lcdrs = 0;P0 = com;delay(5);lcden = 1; /negedage 使能端en下降沿触发delay(5);lcden = 0;void write_data(uchar lcddata)lcdrs = 1;P0 = lcddata;delay(5);lcden = 1; /negedage 使能端en下降沿触发delay(5);lcden = 0;void init()lcden = 0;write_com(0x3c); /设

27、置16*2显示，5*10点阵，八位数据接口write_com(0x0c); /设置开显示，不显示光标write_com(0x06); /写一个字符后地址加一， /也就是写入数据光标右移，显示屏不移动write_com(0x01); /显示清零，数据指针清零void main() uchar a,A1,A2,A3;uint adval;adcs = 0; init(); /liquid crystal 初始化 while(1) /进入死循环不停地做模数转换 adwr=1; /*-*/ _nop_(); adwr=0; /*启动AD转换（根据时序图来的）*/ _nop_(); adwr=1; /*-*/ write_com(0x80);for(a=0;a<12;a+)write_data(temperaturea);/这个延时和AD的转换速率有关！/若不能实时读取数据证明这里延时不够长/写地址，也就是设置地址为第一行第一个位置； for(a=3;a>0;a-) write_c