智能检测系统热电偶数字温度表

1、北京信息科技大学自动化学院实验报告课程名称智能检测系统实验名称热电偶数字温度表实验仪器专业自 动 化班级 /学号自控0902/20090108学生姓名实验日期实验地点成绩指导教师一、实验名称：热电偶数字温度表二、实验设备热电偶、热电偶、 PC 机、剥线钳、面包板、镊子、导线、电源、万用表、外围电路所需元器件、电源。三、实验原理1、热电偶数字温度表原理框图：热电偶冷端温度前置AD 转换锁存器EPROM译码器LED补偿器放大器器线性化器2、热电偶A1823 年塞贝克（ Seebeck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接TT0触处的温度不同时， 回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。这

2、个物理现象称为热电效B应。图 2-1 热电效应如图 2-1 ：两种不同材料的导体 A 和 B，两端联接在一起，一端温度为T0，另一端为 T（设 TT0 ），这时在这个回路中将产生一个与温度 T，T0 以及导体材料性质有关的电势EAB（T，T0），显然可以利用这个热电效应来测量温度。在测量技术中，把由两种不同材料构成的上述热电交换元件称为热电偶，称A，B 导体为热电极。两个接点，一个为热端（T），又称工作端，另一个为冷端（T0），又称为自由端或参考端。热电势 EAB（T， T0）的产生，是由两种效应引起的：（ 1）、珀尔帖（ Peltier ）效应：将同温度的两种不同的金属相互接触，如图2-2E

3、（ T）所示。AB由于不同金属内自由电子的密度不同，在两A金属 A和 B的接触处会发生自由电子的扩散现象。B自由电子将从密度大的金属 A 扩散到密度小的金属 B，使 A 使去电子带正电， B 得到电子带负电，+-直至在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止，两种不同金属的接点处图 2-2接触电势产生的电动势称珀尔帖电势，又称接触电势。此电势 EAB(T)由两个金属的特性和接触点处的温度所决定。根据电子理论：K TnAE ABK TonAE AB (T)lnTolnenB或：enB式中： K ：波尔兹曼常数，其值为1.38 ×10 23J/K ；T T0: 接触处的绝

4、对温度（）；：电子电荷量，等于 1.6 × 10-19C；n A、 nB 分别为电极 A、B 的自由电子密度。由于EAB T与EAB (To )的方向相反，故回路的接触电势为：EAB (T ) EAB (To )K TnAK Tolnn AelnenBnBK (TTo ) lnnAE （T，T ）enBA0（ 2）、汤姆逊（ Thomson）效应：假设在一匀质棒状导体的一端加热如图 2-3 所示 ,T0T则沿此棒状导体有温度梯度。 导体内自由电子将+-从温度高的一端向温度低的一端扩散， 并在温度较低的一端积聚起来， 使棒内建立起一电场，当图 2-3温差电势这电场对电子的作用力与扩散力

5、相平衡时，扩散作用即停止，电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。当匀质导体两端的温度分别是 T、T 时，温差电势为：0EAT,T0TA dTT0或： EBT,T0TB dTT0式中 称为汤姆逊系数，它表示温差为一度时所产生的电势值。 的大小与材料性质和导体两端的平均温度有关。是金属本身所具有的热电能。 它是以铂等标准电极为基准进行测量的相对值。例如：铜和康铜的热电能在0 100温度范围内的平均值分别为 7.6 V/ 和 -3.5 V/ 。通常规定：当电流方向与导体温度降低的方向一致时，则 为正值，当电流方向与导体温度升高方向一致时，则取负值。对于导体 A、B 组成的热电偶回路，当接触点温度图

6、 2-4 总热电势TT0 时，回路的温差电势等于导体温差电势的代数和，即：E A T,T0EB T ,T0TTB dTTB dTA dTAT0T0T0上式表明，热电偶回路的温差电势只与热电极材料A、 B 和两接点的温度T T0有关，而与热电极的几何尺寸和沿热电极的温度分布无关。 如果两接点温度相同，则温差电势为零。综上所述，热电极A、B 组成的热电偶回路，当接点温度TT 时，其总热0电势为 ( 如图 2-4)EAB T,T0EAB T EB T,T0EABT0EA T ,T0EAB'T EAB'T0EA T ,T0EB T ,T0EAB'T EAB'T0TB d

7、TAT0EAB'T EAB'T0TdTTnB dTABT0ATnEAB'TB dTE AB'T0T0B dTTATnATnEAB TEAB T0式中： EAB(T) ：热端的分热电势； EAB(T 0) ：冷端的分热电势。从上面的讨论可知：当两接点的温度相同时，则无汤姆逊电势，即：EAT0,T0 EBT0,T0 O；而珀尔帖电势大小相等方向相反，所以 EAB T0 ,T0 O 。当两种相同金属组成热电偶时，两接点温度虽不同，但二个汤姆逊电势大小相等、 方向相反，而两接点处的珀尔帖电势皆为零， 所以回路总电势仍为零。因此：(1) 如果热电偶二个电极的材料相同，二个

8、接点温度虽不同，不会产生电势；(2) 如果二个电极的材料不同，但两接点温度相同，也不会产生电势；(3) 当热电偶二个电极的材料不同，且 A、B 固定后，热电势 E AB T , T0 便为二接点温度 T 和 T0 的函数，即EAB T,T0EAB TEAB T0当 T0 保持不变，即 E(T0) 为常数时，则热电势 EAB T ,T0 便为热电偶热端温度 T 的函数：EAB T ,T0EAB TCf T由此可知， E AB T, T0 和 T 有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式。热电偶的分度表就是根据这个原理在热电偶冷端温度等于0的条件下测得的。热电极的极性：测量端失去电子的热电极为正极

9、， 得到电子的热电极为负极。在热电势符号 E AB T ,T0 ，规定写在前面的 A、T 分别为正极和高温，写在后面的B、To 分别为负极和低温。如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反，如EAB T ,T0E AB T0 ,T ， EBA T,T0EBA T0 ,T 等。判断热电势极性最可靠的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。3、放大器热电偶输出的热电势信号， 其大小只有毫伏级， 不能做为后续电路的输入信号，必须进入前置放大器进行信号放大。 因此选用 ICL7650 作为放大器， 它具有极低的输入失调电压（典型值为 1uV），失调电压的温漂和时漂也极低，分别为 0.01 V/ C和

10、3.33nV/d 。也可选用 OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，但是失调电压比 ICL7650 要大，因此，本方案采用 ICL7650 作为放大器。 ICL7650 的使用方法比较简单，它和其他的运算放大器的使用方法类似，为了更好得起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容补偿元件，电容的型号为 104 即可， ICL7650 的芯片资料如下面所示：Cextb ： 外接电容 1Cexta ： 外接电容 2-Input ： 反向输入端+Input ：同向输入端V- ： 负电源端Cretn ： 外接电容的公共端Output ：输出端V+： 正电源端Int/clk： 时钟输出端Ext/clk：

11、时钟输入图 4-1 ICL7650为了更好的抑制共模输入，在运放的输入方式上选择同向输入，放大倍数是这样考虑的， K型热电偶的测温范围定在 0 到 1299，E 型热电偶的测温范围定在 0 到 799，然后将微弱的毫伏电压放大到 0 到 1 伏的范围，用于后面的 A/D 转换环节。那么运放的放大倍数如下：A=1+R2/R1选用镍铬镍硅（分度号为K）的热电偶，要求测量范围为01299，满度 1299时的热电势值为 51.612mV，前置放大器的放大倍数 A 应为A1=A-1=1000/51.612-1=18.4若选用镍铬铜镍（分度号为 E）的热电偶，要求测量范围为 0799，满度 799时的热电

12、势值为 59.825mV，放大器的放大倍数 A1 应为A1=A-1=1000/59.825-1=15.7本数字仪表选用两种型号的热电偶测温， 则可通过切换开关改变放大器的放大倍数，使之满度时的放大器输出为 1V。4、A/D 转换器考虑到本设计属于是一定范围内的温度测量系统，温度变化过程比较平稳，不需要高速的 A/D 变换器，所以采用 3.5 位的双积分型的 A/D 转换器 MC14433。MC14433是美国 Motorola 公司推出的单片 3.5 位 A/D 转换器，其中集成了双积分式 A/D 转换器所有的 CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，

13、精度高等特点， 并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容元件即可构成一个完整的 A/D 转换器，其主要功能特性如下：(1) 精度：读数的± 0.05%±1字(2) 模拟电压输入量程： 1.999V 和 199.9mV两档(3) 转换速率： 2-25 次 /S(4) 输入阻抗：大于 1000M(5) 电源电压：± 4.8V ± 8V(6) 功耗： 8mW（± 5V 电源电压时，典型值）(7) 采用字位动态扫描 BCD码输出方式，即千、百、十、个位 BCD码分时在 Q0 Q3 轮流输出，同时在 DS1 DS4端输出同步字位选通脉冲，很

14、方便实现 LED的动态显示。(8) MC14433 最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的 A/D 转换接口。图 4-2 MC14433Pin1(VAG)模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。Pin2( V R ) 基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。 MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外， VR端只要加上一个大于 5 个时钟周期的负脉冲 (VR) ，就能够复为至转换周期的起始点。Pin3( Vx) 被测电压的输入端， MC14433属于双积分型 A/D 转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：输出读数 Vx/VR

15、*1999 因此，满量程的 Vx=VR。当满量程选为 1.999V。 VR可取 2.000V，而当满量程为 199.9mV时， VR 取 200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要， VR值可在 200mV2.000V 之间选取。 Pin4-Pin6(R1/C1 ，C1)外接积分元件端 , 次三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4 次，时钟频率选为66kHz，在2.000V 满量程时，电阻 R1 约为 470k，而满量程为200mV时， R1 取 27k。Pin7-Pin8(C01C 02) 外接失调补偿电容端， 电容一般也选 0.1uF 聚脂薄模

16、电容。Pin9(DU) 更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向积分周期之前， DU 端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将 DU端与 EOC引脚直接短接即可。Pin10 、Pin11(CLK1、CLK0)时钟外接元件端， MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz 时，外接电阻取300k 即可。Pin12 （Vee）负电源端Vee，是整个电路的电压

17、最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚， 故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。Pin13(Vss) 数字电路的负电源引脚。Vss 工作电压范围为VDD- 5VVssVEE。除 CLK0外，所有输出端均以Vss 为低电平基准。Pin14(EOC)转换周期结束标志位。 每个转换周期结束时， EOC将输出一个正脉冲信号。Pin15(OR) 过量程标志位，当 |Vx|>V REF时， OR输出为低电平。Pin16 、17、 18、19(DS4、 DS3、DS2、DS1)多路选通脉冲输出端。DS1、 DS2、DS3和 DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。当某一位信

18、号有效（高电平）时，所对应的数据从 Q0、Q1、Q2 和 Q3 输出，两个选通脉冲之间的间隔为 2 个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。Pin20 、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD码数据输出端。该A/D 转换器以 BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。同时在DS1期间输出的千位BCD码，还包含过量程、欠量程和极性标志信息。Pin24(VDD) 正电源电压端。MC14433最主要的用途是数字电压表， 数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的 A/D 转换接口。至此，已经将温度信号放大并转换成数字信号。5、锁存器MC14433

19、 A/D转换结果采用 BCD码动态扫描输出，因此每位数字要增加一个四位的锁存器 74LS373，把经过多路组合的数据分离出来，并寄存在相应的锁存器内，由 MC14433的多路调制选通脉冲 DS4，DS3， DS2控制 Q0， Q1，Q2，Q3BCD码三位数据的输出，经个位，十位和百位锁存器锁存，输出个，十，百三位 BCD码，在下一步中，以这十二位 BCD码作为 EEPROM的地址线，对其进行寻址。在最初设计中， EEPROM的寻址应该使用二进制码进行，但是由于 BCD码到二进制码的转换芯片已经停产，所以直接用 BCD码做为 EEPROM的地址线，所以，就要在相应的存储单元存储相应的温度值。控制

20、线转换的频率是由A/D 转换芯片的频率决定的，通过选定外围电路的电阻值来控制频率的高低，在地址锁存的时候本应该在控制信号到来时传输数据的，由于我将A/D 转换的频率设置在 70 赫兹，这样在后续电路显示的时候，人眼是分辨不出来的。6、 EEPROM线性化器AD转换器的输出作为地址码访问EEPROM时， EEPROM存放的表格内容将被取出，送入显示器以显示被测的温度。 表格的编制方法如下：首先根据热电偶的Et特性曲线，在 E 坐标上进行有限等分。K 型的镍铬镍硅热电偶用于测量 01299。设量化单位为q。 E t的量化曲线如图所示。这种线性化的精度取决于划分的程度，划图 9 E t 的量化曲线图

21、分得越细，越多，则精度越高，不过还取决于实际电路所能达到的程度，也就是芯片的分辨率，A/D 转换的分辨率越高，就可以分的越高，这样也就跟热电偶分度表的真实性越接近。线性化的结果是在一定程度上模拟热电偶的分度表曲线，但不是完全符合，而是允许在一定的误差范围之内。这样做，可以在不搭建复杂模拟电路系统的情况下，实现对热电偶的非线性特性补偿。此种做法的不足之处是，在计算新的分度表时，过程较繁琐，但相对于复杂的模拟电路来说，还是有很大改进的。显然， AD 转换器的量化误差是与量化单位 q、输入函数 x( t ) 有关。以 K 分度号热电偶表格编制方法为例加以说明，温度测量范围0 至 1299， 1299

22、时的热电势查表为51.612mV。 0 1299内平均热电势为0.0516mV，即量化单位q。当温度为 时，热电势为， 转换器输出地址0.0516mV00.000mV A D（ 16 进制，下同）为 0000，EEPROM内写入 000.0 数。经过这种线性化的补偿方法，可以把热电偶的温度特性曲线进行拟合，拟合的结果如图4-4 所示：蓝色：热电偶温度特性曲线红色：拟合温度特性曲线绿色：线性化辅助曲线图 10K 型热电偶温度曲线拟合图K 型热电偶的温度特性曲线是非线性的，为了在数字转换部分使电路简化，就应当在这里对非线性进行补偿， 从它的温度特性曲线可以看出， 采用通常的折线法或是最小二乘法都可

23、以， 不过就加大了计算的复杂程度， 而且在后续的 A/D 转换时就要采用高性能，多通道的器件，也就增加了整个设计的经济成本，为此，采用了这种借助线性化辅助曲线的方法，详述如下：首先将 K 型热电偶在 1299时其转换电压是 51.612mv，将其分成一千份，其最小分度就是 q0.0561mv，分得越小其精度越高， 不过要受后续器件的精度影响。其次，在热电偶的温度特性表上每隔 10找一个参考点，它的作用在于使线性化补偿之后的拟合曲线始终在原温度曲线附近， 不会偏差太多， 也可以选择20，或更高，参考点相距越近，测量精度就越高。最后，在测量的时候， 将实际测量的转换电压与特性表中的参考点比较，这里

24、以向下寻找为标准，找到一个和实际电压最接近的一个参考点， 这时，就以改参考点为基准温度值，然后计算出二者的电压差，在将该电压差除以最小分度 q，得出一个在 10之内的温度值，最终显示温度为：最终显示温度参考点基准温度附加温度值按照这种方法制作 EPPROM内的温度表格，这样把主要的精力用在寻找非线性补偿的方法上，简化了电路的设计，只需把计算出的温度表格输入到存储器中即可，而且这种利用线性化辅助曲线进行非线性补偿的方法，计算简单，易行，精度高( 根据参考点和最小分度值的选取 ) ，分辨率高，不仅适用于温度补偿系统还可以在近似的情况中应用。 只要后续转化器件的精度高， 就允许将参考点选取的更近，将

25、最小分度值选取的更小。测量结果就更接近实际温度值。7、LED从 EEPROM线性化器读出的数分别送到四个七段码的译码器之中，从里面送出的数码是 BCD码，然后把 BCD数码通过 4511 转换为七段码，若采用的是共阴极的数码管，可以直接把 4511 的输出接到数码管的限流电阻上，然后接到七段码上，但通常使用的是共阳极的数码管，这时就需要把4511 输出的七段码经过非门 74HC04做一下反向，然后再通过限流电阻接到七段码上，限流电阻一般可以根据具体情况来选择， 这里选择 240 欧姆的阻值。在此采用的是静态显示方法，没有采用动态显示 , 所以将所有的数码管的选通管脚都接到高电平，虽然比较耗费电

26、源，但是没有加入动态显示部分，节省了一部分成本。四、实验内容一按所设计的电路图在面包板上连接线路。1、合理布局，恰当的规划每个芯片在面包板上的位置。2、注意电源线（主要有 5v 和 5v 和一个 2v）和地线在面包板上的分配，充分利用好面包板上的横条和竖条。3、注意导线长度和颜色的选择，以便以后检查时方便。4、耐心并且细心的插线。二连线结束后进行基本调试。1、用稳压电源调出 5v， 5v， 2v 和地，把电源接入电路。注意一定不要把 5v 和 5v 接反了。2、接入电源后可以先接入热电偶，看看是否能一次性通过。如果 LED有稳定的显示，通过调节放大器 ICL7650 的反馈电阻（电位器），来使温度显示和实验台所示温度一致，然后再通过降低或升高实验台温度， 检验温度计是否也随之