热电偶测温系统设计

1、. 精品 任务书 课程 传感器课程设计 题目 热电偶测温系统设计 主要内容：主要内容： 本系统以单片机为核心，硬件设计使用高精度模/数转换器和高精度数/模转 换器，分别实现对热电偶电动势的采样、放大、ad 转换和对线性化处理的数据 转换，并在程序中采用修正后的数据，实现热电偶的线性化处理。 基本要求：基本要求： 1、按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较； 2、利用热电偶和单片机等设计一种热电偶测温系统电路。 3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作 原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。 主要参考资料：主要参考资料： 1崔志尚.温度计量与测试m.北京：

2、中国计量出版社，1998 2赵茂泰.智能仪器原理及应用m.北京: 电子工业出版社，2007. 3陈杰，黄鸿.传感器与检测技术m.北京: 高等教育出版社，2006. 4刘华东.单片机原理与应用m.北京: 电子工业出版社，2006. 完成期限 指导教师 专业负责人 2016 年 5 月 7 日 . 精品 摘 要 在现代化的工业现场, 常用热电偶测试高温,测试结果送至主控机。热电偶 是工程上应用最广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、使用方便、准确度、 热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽等优点，适用于信号的远传、自 动纪录和集中控制，在温度测量中占有重要地位。但由于热电偶的热电势与温度 呈非

3、线性关系, 所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。该测温系统 通过高精度模/数转换器ad7705对热电偶电动势进行采样、放大, 并在单片机内 采用一定算法实现对热电偶的线性化处理, 再通过数/模转换器ad421进行数/模 转换产生4 ma 20ma的电流, 送入主控中心。 关键词：热电偶；线性化；ad 转换；da 转换；单片机 . 精品 目 录 一、设计要求一、设计要求.1 二、设计方案及其特点二、设计方案及其特点.1 1、方案说明.1 2、方案论证.2 三、传感器工作原理三、传感器工作原理.2 四、电路的工作原理四、电路的工作原理.3 五、单元电路设计、参数计算和器件选择五、单元电路

4、设计、参数计算和器件选择.3 1、单元电路设计.4 2、参数计算.5 3、器件选择.6 六、总结六、总结.7 参考文献参考文献.8 . 精品 热电偶测温系统设计 一、设计要求 以单片机为核心，进行对系统控制和线性化算法的运算，使a/d 转换精度更 好；在算法处理上，使用最佳计算方法，使得线性化算法达到运算量小、处理速 度快、占用内存小等要求，并使该系统能很好的解决热电偶测试高温的精度问题。 二、设计方案及其特点 本设计是基于 stc89c52 单片机的硬件设计。对于系统可分为下面两种不同 的设计方案： 1、方案说明 方案一：系统由型热电偶和集成温度传感器ad590测量热端和冷端温度， 采用us

5、b采集卡实现信号采集并传输给计算机。根据热电偶中间温度定律1，编 制软件采用查表和曲线拟合进行非线性校正及冷端补偿。利用labview的数据存 储、读取、分析函数，实现温度趋势曲线和统计直方图的绘制2。本系统将滤波、 非线性和冷端补偿等功能由软件实现，简化了电路设计，提高了系统的稳定性和 测量精度，但成本较高。 热电偶 补偿导线 热端 冷端 图1 方案一原理框图 方案二：控制电路以单片机为中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模 放大 放大ad590 usb 数据 采集卡 计 算 机 . 精品 /数转换部分采用16位高精度ad转化器ad7705，采用自校准，提高其抗干扰 能力和精度；数/模转换

6、部分采用高精度da转换器ad421，在电路设计上，采用光 隔离，控制ad421 完成其功能，ad421为16位高精度数/模转换器，它将来自单片 机线性化处理后的数据进行da转化，产生4ma-20ma电流，送控制中心3。这种方 案保证成本，采用了良好的线性化算法，编程又采用可节约内存的汇编语言，使 得测量速度快，测量结果能满足工业标准的要求。 去4ma-20ma测量电路 图 2 方案二原理框图 2、方案论证 从精确度来看，方案一强于方案二，但方案二电路实现简单，占用内存较小， 抗干扰能力强，成本较低。所以一般地说，需要稳定性好可选用方案一测量电路， 若考虑便于与单片机接口连接，那么方案二测量电路

7、就由其方便之处。因此本设 计中选用方案二。 三、传感器工作原理 热电偶传感器的工作原理：两种不同成份的导体两端接合成回路，当接合点 的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动 势称为热电势4。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测 量介质温度的一端叫做测量端，另一端叫做补偿端；冷端与显示仪表或配套仪表 连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。如图 3 所示。 电极 电极 补偿端测量端 传感器 ad7705 a/d 转换器 stc89c52 单片机 ad421 d/a 转换器 . 精品 图 3 热电偶工作原理图 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材

8、质导体组成闭合回路,当两端存 在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，这就是 所谓的塞贝克效应。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，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0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。 四、电路的工作原理 电路

9、的工作原理图如图 4 所示。 图 4 总原理图 测温系统通过高精度模/数转换器ad7705对热电偶电动势进行采样、放大, 并在单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理, 再通过数/模转换器 ad421进行数/模转换产生4 ma 20ma的电流, 送入主控中心并显示。 . 精品 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 1、单元电路设计 模/数转换部分电路如图5所示。 图5 a/d转化电路原理图 采用16位、双通道、高精度模/数转换功能的ad7705。ad7705能直接对来自 传感器的微弱信号进行a/d转换5。使用时通过单片机控制其单双极性、增益倍 数、选择通道的输入和工作模式的选择等；用ad5

10、84基准芯片为ad7705采集模块 提供基准电压，使ad7705可以正常且稳定的工作6。 数/模转换部分电路如图6所示。 . 精品 图6 d/a转化电路原理图 采用16位高精度数/模转换器ad4217。ad421由电流环路供电，16位数字信 号以串行方式输入，4-20ma电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。 ad421内部含有电压调整器可提供+5v，+3.3v或+3v输出电压，还含有 +1.25v，+2.5v 基准电源，均可为其自身或其它电路选用8。ad421 采用- dac结构，保证16位的分辩率和单调性，其积分线性误差为0.001%，失调误 差为0.1%，增益误差为0.2%，其标准的

11、三线串行接口可在10mbps下运行，便 于与通用微处理器或微控制器相连。 2、参数计算 软件是算法和功能实现的关键。该部分主要完成的任务是： a/d 转换器的 配置、启动和数据读取。对信号的线性化处理。d/a 转换器配置和数据读取。其 中线性化算法主要参考“最佳非等距线性插值算法在热敏电阻测温中的应用”， 提出一种“最佳非等距离分段算法”，根据标度转换，在不同分段上推导出y = kx+ b的线性化算法。 整体设计和调试，以k分度热电偶为例。通过调节滑动变阻器，模拟补偿后 的k分度热电偶的热电势，送入ad7705完成模/数转换,转换后的数据送入单片机 进行线性化处理，使处理后单片机输出的数据与温

12、度呈现线性关系；最后再将线 性化后的数据，送至ad421经数/模转换，输出电流值9。本系统采用误差修正公 式来消除系统误差，从输出端引反馈量到输入端来改善系统的稳定。 在无误差的理想情况下, 有 = 0，i = 0，k是常数, 于是存在关系 . 精品 (1)kxy comment c1: 表格上下边线加粗 . 精品 在有误差的情况下, 则有 (2) yxky (3) 2 1 r y i r yy 由此可以推出 (4) 01 bybx 可改写成下简明形式 (5) 0 1 1 bx b y 式中：x热电偶产生的电压； y带误差的输出到d/a转换器的电压； 影响量（例如零点漂移或干扰）； i偏差量（

13、例如直流放大器的偏置电流）； k影响特性（例如放大器增益）。 把热电偶分度表各温度时电压值x经过运算求出各温度时对应的y值，y值一 般包含小数，由于a/d转换器的离散性和分辨率的限制，所以只保留整数部分， 保存到单片机rom中，在每次测量完温度数据后直接由y值查表，运算求相应温度。 3、器件选择 表 1 元器件清单 标号元器件类型元器件规格数量 c1,c2 电容 33p 各 1 c3,c4 电容 103 各 1 c5，c7，c9,c1 9 电解电容 10 各 1 c6,c8,c12,c18 电容 0.1 各 1 c10,c11 电解电容 4.7 各 1 c13,c14,c16 电容 0.011 各 1 . 精品 c15 电容 0