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址成绩指导教师一、实验名称：热电偶数字温度表二、实验设施热电偶、热电偶、PC机、剥线钳、面包板、镊子、导线、电源、万用表、外头电路所需元器件、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变换锁存器EPROM译码器LED赔偿器放大器器线性化器2、热电偶A1823年塞贝克（Seebeck）发现，在两种不一样的金属所构成的闭合回路中，当两接TT0触处的温度不一样时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。这个物理现象称为

2、热电效B应。图2-1热电效应如图2-1：两种不一样资料的导体A和B，两头联接在一同，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以及导体资料性质相关的电势EAB（T，T0），明显能够利用这个热电效应来丈量温度。在丈量技术中，把由两种不一样资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），又称为自由端或参照端。热电势EAB（T，T0）的产生，是由两种效应惹起的：1）、珀尔帖（Peltier）效应：将同温度的两种不一样的金属互相接触，如图2-2E（T）所示。AB因为不一样金属内自由电子的密度

3、不一样，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获得电子带负电，+-直至在接点处成立了强度充分的电场，能够阻挡电子扩散达到均衡为止，两种不一样金属的接点处图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)由两个金属的特征和接触点处的温度所决定。依据电子理论：KTnAEABKTonAEAB(T)lnTolnenB或：enB式中：K：波尔兹曼常数，其值为1.381023J/K；T0:接触处的绝对温度（）；：电子电荷量，等于1.610-19C；nA、nB分别为电极A、B的自由电子密度。因为EAB

4、T与EAB(To)的方向相反，故回路的接触电势为：EAB(T)EAB(To)KTnAKTolnnAelnenBnBK(TTo)lnnAE（T，T）enBA0（2）、汤姆逊（Thomson）效应：假定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聚集起来，使棒内成立起一电场，当图2-3温差电势这电场对电子的作使劲与扩散力相均衡时，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。当匀质导体两头的温度分别是T、T时，温差电势为：0EAT,T0TAdTT0或：EBT,T0TBdTT0式中称为汤姆

5、逊系数，它表示温差为一度时所产生的电势值。的大小与资料性质和导体两头的均匀温度相关。是金属自己所拥有的热电能。它是以铂等标准电极为基准进行测量的相对值。比如：铜和康铜的热电能在0100温度范围内的均匀值分别为7.6V/和-3.5V/。往惯例定：当电流方向与导体温度降低的方向一致时，则为正当，当电流方向与导体温度高升方向一致时，则取负值。关于导体A、B构成的热电偶回路，当接触点温度图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：EAT,T0EBT,T0TTBdTTBdTAdTAT0T0T0上式表示，热电偶回路的温差电势只与热电极资料A、B和两接点的温度TT0相关，而与热电极

6、的几何尺寸和沿热电极的温度散布没关。假如两接点温度相同，则温差电势为零。综上所述，热电极A、B构成的热电偶回路，当接点温度TT时，其总热0电势为(如图2-4)EABT,T0EABTEBT,T0EABT0EAT,T0EABTEABT0EAT,T0EBT,T0EABTEABT0TBdTAT0EABTEABT0TdTTnBdTABT0ATnEABTBdTEABT0T0BdTTATnATnEABTEABT0式中：EAB(T)：热端的分热电势；EAB(T0)：冷端的分热电势。从上边的议论可知：当两接点的温度相同时，则无汤姆逊电势，即：EAT0,T0EBT0,T0O；而珀尔帖电势大小相等方向相反，所以EA

7、BT0,T0O。当两种相同金属构成热电偶时，两接点温度虽不一样，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。所以：假如热电偶二个电极的资料相同，二个接点温度虽不一样，不会产生电势；假如二个电极的资料不一样，但两接点温度相同，也不会产生电势；当热电偶二个电极的资料不一样，且A、B固定后，热电势EABT,T0便为二接点温度T和T0的函数，即EABT,T0EABTEABT0当T0保持不变，即E(T0)为常数时，则热电势EABT,T0便为热电偶热端温度T的函数：EABT,T0EABTCfT由此可知，EABT,T0和T有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式。

8、热电偶的分度表就是依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：丈量端失掉电子的热电极为正极，获得电子的热电极为负极。在热电势符号EABT,T0，规定写在前面的A、T分别为正极和高温，写在后边的B、To分别为负极和低温。假如它们的前后地点交换，则热电势极性相反，如EABT,T0EABT0,T，EBAT,T0EBAT0,T等。判断热电势极性最靠谱的方法是将热端略加热，在冷端用直流电表鉴别。3、放大器热电偶输出的热电势信号，其大小只有毫伏级，不可以做为后续电路的输入信号，一定进入前置放大器进行信号放大。所以采纳ICL7650作为放大器，它拥有极低的输入失调电压（典型值为1uV），

9、失调电压的温漂和时漂也极低，分别为0.01V/C和3.33nV/d。也可采纳OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，可是失调电压比ICL7650要大，所以，本方案采纳ICL7650作为放大器。ICL7650的使用方法比较简单，它和其余的运算放大器的使用方法近似，为了更好得起到放大的作用，需要对该芯片有一个电容赔偿元件，电容的型号为104即可，ICL7650的芯片资料以下边所示：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：时钟输

10、入图4-1ICL7650为了更好的克制共模输入，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，而后将轻微的毫伏电压放大到0到1伏的范围，用于后边的A/D变换环节。那么运放的放大倍数以下：A=1+R2/R1采纳镍铬镍硅（分度号为K）的热电偶，要求丈量范围为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若采纳镍铬铜镍（分度号为E）的热电偶，要求丈量范围为0799，满度799时的热电势值为59.825mV，放大器的放大倍数A1应为A1

11、=A-1=1000/59.825-1=15.7本数字仪表采纳两种型号的热电偶测温，则可经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变换器考虑到本设计属于是必定范围内的温度丈量系统，温度变化过程比较安稳，不需要高速的A/D变换器，所以采纳3.5位的双积分型的A/D变换器MC14433。MC14433是美国Motorola企业推出的单片3.5位A/D变换器，此中集成了双积分式A/D变换器全部的CMOS模拟电路和数字电路。拥有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特色，并且拥有自动校零和自动极性变换功能，只需外接少许的阻容元件即可构成一个完好的A/D变

12、换器，其主要功能特征以下：精度：读数的0.05%1字模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档变换速率：2-25次/S输入阻抗：大于1000M电源电压：4.8V8V功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）采纳字位动向扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0Q3轮番输出，同时在DS1DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动向显示。MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各种数字化仪表及计算机数据收集系统的A/D变换接口。图4-2MC14433Pin1(VAG)模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。Pin2(VR)基准电压，此引脚为外接基准

13、电压的输入端。MC14433只需一个正基准电压即可丈量正、负极性的电压。别的，VR端只需加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR)，就可以复为至变换周期的开端点。Pin3(Vx)被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D变换器，因此被测电压与基准电压有以下关系：输出读数Vx/VR*1999所以，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，在实质的应用电路中，依据需要，VR值可在200mV2.000V之间选用。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0.1u

14、F聚脂薄膜电容，假如需每秒变换4次，时钟频次选为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(C01C02)外接失调赔偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄模电容。Pin9(DU)更新显示控制端，此引脚用来控制变换结果的输出。假如在积分器反向积分周期以前，DU端输入一个正跳变脉冲，该变换周期所获得的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。不然持续输出上一个变换周期所测量的数据。这个作用可用于保留丈量数据，若不需要保留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)

15、时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频次要求不高的场合，可选择一个电阻即可设准时钟频次，时钟频次为66kHz时，外接电阻取300k即可。Pin12（Vee）负电源端Vee，是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流其实不流经此引脚，故对供应此负电压的电源供应电流要求不高。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，全部输出端均以Vss为低电平基准。Pin14(EOC)变换周期结束标记位。每个变换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。Pin15(OR)过度程标记位，当|Vx|VREF时，OR输出为低

16、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、个位选通讯号。当某一位信号有效（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，以保证数占有充分的稳准时间。Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD码数据输出端。该A/D变换器以BCD码的方式输出，经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时期输出的千位BCD码，还包括过度程、欠量程和极性标记信息。Pin24(VDD)正电源电压端。MC14433最主要的用途是

17、数字电压表，数字温度计等各种数字化仪表及计算机数据收集系统的A/D变换接口。至此，已经将温度信号放大并变换成数字信号。5、锁存器MC14433A/D变换结果采纳BCD码动向扫描输出，所以每位数字要增添一个四位的锁存器74LS373，把经过多路组合的数据分别出来，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。在最先设计中，EEPROM的寻址应当使用二进制码进行，可是因为BCD码到二进制码

18、的变换芯片已经停产，所以直接用BCD码做为EEPROM的地址线，所以，就要在相应的储存单元储存相应的温度值。控制线变换的频次是由A/D转换芯片的频次决定的，经过选定外头电路的电阻值来控制频次的高低，在地址锁存的时候本应当在控制信号到来时传输数据的，因为我将A/D变换的频次设置在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变换器的输出作为地址码接见EEPROM时，EEPROM寄存的表格内容将被拿出，送入显示器以显示被测的温度。表格的编制方法以下：第一依据热电偶的Et特征曲线，在E坐标上进行有限平分。K型的镍铬镍硅热电偶用于测量01299。设量化单位为q。E

19、t的量化曲线以下图。这类线性化的精度取决于区分的程度，划图9Et的量化曲线图分得越细，越多，则精度越高，可是还取决于实质电路所能达到的程度，也就是芯片的分辨率，A/D变换的分辨率越高，就能够分的越高，这样也就跟热电偶分度表的真切性越靠近。线性化的结果是在必定程度上模拟热电偶的分度表曲线，但不是完好切合，而是同意在必定的偏差范围以内。这样做，能够在不搭建复杂模拟电路系统的状况下，实现对热电偶的非线性特征赔偿。此种做法的不足之处是，在计算新的分度表时，过程较繁琐，但相关于复杂的模拟电路来说，仍是有很大改良的。明显，AD变换器的量化偏差是与量化单位q、输入函数x(t)相关。以K分度号热电偶表格编制方

20、法为例加以说明，温度丈量范围0至1299，1299时的热电势查表为51.612mV。01299内均匀热电势为0.0516mV，即量化单位q。当温度为时，热电势为，变换器输出地址0.0516mV00.000mVAD（16进制，下同）为0000，EEPROM内写入000.0数。经过这类线性化的赔偿方法，能够把热电偶的温度特征曲线进行拟合，拟合的结果如图4-4所示：蓝色：热电偶温度特征曲线红色：拟合温度特征曲线绿色：线性化协助曲线图10K型热电偶温度曲线拟合图型热电偶的温度特征曲线是非线性的，为了在数字变换部分使电路简化，就应当在这里对非线性进行赔偿，从它的温度特征曲线能够看出，采纳往常的折线法或是

21、最小二乘法都能够，可是就加大了计算的复杂程度，并且在后续的A/D变换时就要采纳高性能，多通道的器件，也就增添了整个设计的经济成本，为此，采纳了这类借助线性化协助曲线的方法，详述以下：第一将K型热电偶在1299时其变换电压是51.612mv，将其分红一千份，其最小分度就是q0.0561mv，分得越小其精度越高，可是要受后续器件的精度影响。其次，在热电偶的温度特征表上每隔10找一个参照点，它的作用在于使线性化赔偿以后的拟合曲线一直在原温度曲线邻近，不会偏差太多，也能够选择20，或更高，参照点相距越近，丈量精度就越高。最后，在丈量的时候，将实质丈量的变换电压与特征表中的参照点比较，这里以向下找寻为标

22、准，找到一个和实质电压最靠近的一个参照点，这时，就以改参照点为基准温度值，而后计算出两者的电压差，在将该电压差除以最小分度q，得出一个在10以内的温度值，最后显示温度为：最后显示温度参照点基准温度附带温度值依据这类方法制作EPPROM内的温度表格，这样把主要的精力用在找寻非线性赔偿的方法上，简化了电路的设计，只需把计算出的温度表格输入到储存器中即可，并且这类利用线性化协助曲线进行非线性赔偿的方法，计算简单，易行，精度高(依据参照点和最小分度值的选用)，分辨率高，不单合用于温度赔偿系统还能够在近似的状况中应用。只需后续转变器件的精度高，就同意将参照点选用的更近，将最小分度值选用的更小。丈量结果就

23、更靠近实质温度值。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，而后把BCD数码经过4511变换为七段码，若采纳的是共阴极的数码管，能够直接把4511的输出接到数码管的限流电阻上，而后接到七段码上，但往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，而后再经过限流电阻接到七段码上，限流电阻一般可以依据详细状况来选择，这里选择240欧姆的阻值。在此采纳的是静态显示方法，没有采纳动向显示,所以将全部的数码管的选通管脚都接到高电平，固然比较耗资电源，可是没有加入动向显示部分，节俭了一部分红本。四、实验内容

24、一按所设计的电路图在面包板上连结线路。1、合理布局，适合的规划每个芯片在面包板上的地点。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派，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，以便此后检查时方便。4、耐心并且仔细的插线。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。注意必定不要把5v和5v接反了。2、接入电源后能够先接入热电偶，看看能否能一次性经过。假如LED有稳固的显示，经过调理放大器ICL7650的反应电阻（电位器），来使温度显示和实验台所示温度一致，而后再经过降低或高升实验台温度，查验温度计能否也随之变化。若变化，基本成功。3、假如第2步没有经过，即没有一次性成功。可试试以下调